地球生命進化至今大約已經過去了35-38億年，在這段漫長的時光裡，生命有機體發生變化時，地球本身也在變化，並且它們之間不斷相互影響，因而形成了生物學和地質學兩個不同的分支。

為了簡化這段歷史，我們將其分為兩個階段：海洋進化階段和陸地進化階段，其中，獨立的海洋進化階段長達31億年左右，幾乎佔整個生命進化歷史86%以上的時間，即便生命登上陸地之後，海洋進化也依然在繼續著，這也是我們為什麼把海洋稱為“生命的搖籃”。

在獨立的海洋進化階段，發生了6件值得關注的事情：

1.原核生物的出現

如上節所講，大約35-38億年前，出於某種原因，海洋中的一些化學物質開始形成生命。這些最早的原始單細胞微生物包括深海火山排氣口的古生菌和其他地方的細菌，它們通過食用自己周圍簡單的分子來獲取食物，通過發酵（一種無氧的新陳代謝形式）獲得能量。由於它們的細胞核無核膜包裹，因此被稱為原核生物。即使它們是如此的原始、古老和微小，但卻依舊牢牢佔據著現在地球生物總量的50%以上，是當之無愧的“生命之祖”。

2.光合作用的出現

大約34-25億年前，最初的微生物逐漸耗盡它們周圍的氨基酸和蛋白質，因此它們必須找到其他方式來獲取能量。其中一些微生物進化出了通過Sunny獲得食物的能力——它們通過Sunny利用空氣中的二氧化碳（其他微生物通過發酵排放出來的廢物）來產生能量，這就是光合作用。

研究發現，葉綠素分子首先出現在被稱為藍綠細菌和藍藻細菌的原核生物中。在光合作用中，葉綠素分子的原子排列就像一塊太陽能板。Sunny一旦照射到表面，就會被分子吸收，太陽能促使水中氫原子與氧原子分離，氫原子再加上吸附在上面的太陽能與來自空氣中二氧化碳的碳原子結合形成碳水化合物（糖），同時將氧氣釋放到大氣中，糖把來自太陽的化學能儲藏起來。

光合作用或許是歷史上最重要的新陳代謝，這意味著進行光合作用的細菌能夠像植物那樣直接以太陽能為生。光合作用也意味著這些細菌把氧氣作為廢棄物排放到大氣中，從大約30-21億年前（10億年左右的漫長積累），大氣中的氧氣比例因此而發生變化，由大約1%增加到現在的20%-21%。現在，每天大約有3630億公斤二氧化碳被吸收，製造出約2720億公斤氧氣，幾乎50%的光合作用是由單細胞海洋浮游生物完成，它們生活在海洋頂層，大量Sunny穿透海水支援它們的生長，而其他所有的需要氧氣才能生存的生物（包括人類）都因此而受益。

早期的藍藻細菌在淺水區肆意蔓延，形成高達半米的一層墊子，被稱為疊層（許多化石疊層被發現，成為我們的研究物件），它為細菌提供了廣闊的棲息地。這些草墊的表面吸附著精細的沙粒或泥漿，細菌在草墊深處消費死亡的細胞，碳酸晶體由此得以形成，最後堆積成石灰石。這些草墊中的每一個細胞都獨自工作，沒有證據表明存在更復雜的細胞和細胞間的任何互動。

3.呼吸作用以及真核生物的出現

通過開發光合作用，藍藻細菌度過了一場危機。不過隨著時間流逝，又引起另一場危機：它們排放出來的氧氣改變了大氣和海洋的成分，大量氧氣在海中融解，由於最初的細菌無法利用氧氣，因此它們當中的許多漸漸消亡。這種轉變並不完全是一場大屠殺，今天一些不需要利用氧氣的細菌（厭氧細菌）依舊在生態系統中佔有一席之地，不過，利用氧氣的細胞現在主導著世界。

大約25-15億年前的某個時間，出現了一些能夠利用氧氣的細菌，這被稱為呼吸作用，是與光合作用相反的一種過程。發生呼吸作用時，分子吸收和消耗氧氣來消化碳水化合物，釋放被分子利用過的能量，同時將二氧化碳和水作為廢物排放出來。光合作用利用二氧化碳來製造和釋放氧氣，呼吸作用則消耗氧氣排放二氧化碳。就是這樣，細菌設計了一套迴圈系統來保持生物圈的平衡，這稱得上是生命進化史上的第三步。

大約同一時期，一定程度上由於正在發展的呼吸作用的結果，一種新的細胞在疊層的草墊中出現。研究發現，這種新細胞與原核細胞大約有30種不同之處，從此後再也沒有出現其他的細胞革新，這就是我們所說的真核細胞。真核細胞比原核細胞大10倍到1000倍，它們的DNA包含在一層保護膜之中，保護膜構成一個發育良好的細胞核。真核細胞的大小，足以讓細胞質發展出細胞骨架（一種蛋白質纖維網路），這種纖維維持著細胞，允許他移動，也允許他的各種物質在細胞內部運動。此外，這些新細胞還有細胞器（即單獨起作用的結構，就像人體的各種器官）。兩個最重要的細胞器是線粒體（細胞進行新陳代謝的有氧呼吸場所）和葉綠體（進行光合作用的場所，存在於植物之中）。

現代對真核細胞的基因組進行的分析表明，它們可能是從古生菌和細菌的共生關係中發展出來的。隨後這些真核細胞捕獲其他細菌，如線粒體（一種有氧呼吸的細菌），以及葉綠體（限於植物，一種藻青菌）。較大的細胞顯然吞食了線粒體和葉綠體，不過並沒有消化它們。這種現象有力地證明了一點：進化不僅源自競爭，也出於合作。直到1967年，美國生物學家琳恩-瑪古麗斯提出真核細胞的這個特徵後，它才被人們理解，生物學家現在基本上都接受她的觀點。

4.有性繁殖的出現

到這一階段為止，包括原核生物和真核生物在內的所有生命形式，在繁殖時首先分裂為兩部分，然後每部分克隆出來原來的分子，這兩個分子在基因上是相同的（除非發生突變）。

大約10億年前，藻類、阿米巴變形蟲類以及粘液菌等早期真核生物邁出了重要的第四步。這些真核生物發展出了一種新的繁殖方式——有性繁殖：負責繁殖的細胞發生分裂時，不需要成倍增加，它們的子代細胞已經準備好與另一個“親代”有機體的子代細胞結合起來。研究者認為，有性繁殖最早可能源於在資源匱乏時期真核生物的相互吞食，它們的細胞核有時候會融合，有時則會製造出DNA（各自出一半）。有性繁殖的代價就是：除了成功製造出新的有機體的細胞之外，其他的細胞都會死亡。

沒有人知道到底是哪些優勢促進了有性繁殖的不斷增長。但毋庸置疑的是，當每個親代的基因在有性繁殖中重新組合起來時，子代中出現了更多樣化的基因組合，而突變是無法獨自完成這項工作的。我們都不是父母當中某一位的複製品，我們是父母的混合體。子代更大程度的複雜性，逐漸推動了進化的速度。

當生命進化時，地球上的環境也在發生變化。

如前所述，細菌開發出光合作用之後，更多氧氣開始在大氣中聚集，太陽的紫外線充分地照射在大地上，這些射線分解了帶有兩個氧原子的氧分子，自由氧原子在大氣上從新結合形成具有三個氧原子的臭氧。這種臭氧在離地面48000米處形成覆蓋整個地球的一層薄殼，保護地表和上面的生命免遭來自紫外線輻射的傷害。更多氧氣意味著更多臭氧和生命更容易生存，臭氧大約在25億年前逐漸形成，直到大約5億年前才成為有效的保護層——臭氧層。

同時，其他一些重大事件也在地球上發生了。大約25億年前，碳迴圈中似乎出現一種目前尚不十分清楚的，不同尋常的失衡現象。20億年之後，即大約6億多年前，地球出現了極端嚴酷的冰河時代，冰雪覆蓋了地球大部分海洋和它的大多數大陸架。這些變化導致大量動植物的消亡，也導致此後時期生物形式顯著的快速變化。

生命正在改變環境，與此同時，環境也在改變生命。

5.多細胞有機體的出現

大約7-6億年前，一些真核細胞聚集起來過一種叢集或者群居生活。不過，一開始他們依然是獨立的細胞，比如，一個粘液菌含有數百萬阿米巴變形蟲，它們並沒有進化成為一個有機體。隨著時間的推移，一些叢集中的細胞逐漸變得更專門化，把細胞結合在一起的大型分子也發展起來。細胞設法相互交流，也進化出遺傳方案來控制細胞分化，這樣不同的細胞就能夠擔當不同角色——最早的多細胞生物出現了。

在6-5.5億年前之間，幾乎所有細胞有機體的軀體都是柔軟的、凝膠狀的，它們是最早的生命有機體，大到肉眼足以看到。它們生活在海洋中，以微生物植物為食或者互相吞食，一些依附在海底斜坡上，一些四處漂浮。由於他們軀體柔軟，因此這一時期的化石保留下來的很少。被找到的第一塊化石是管狀蠕蟲的砂岩印記，發現於東南澳洲阿德萊德北部的埃迪卡拉。現在世界各地所發現的這一時期的化石都被稱為埃迪卡拉系。

大約5.24億年前，隨著地質年代的更替，動物突然發展出了令人驚訝的豐富多彩的結構形式和形態，生物學家稱之為寒武紀生命大爆發，這次大爆發涵蓋的時段為1500萬年到2000萬年（寒武是英國西南部威爾士的舊稱，其中一些化石是在那裡首次被發現的）。現在寒武紀化石被發現在世界各地，如：加拿大、中國雲南、格林蘭島北部、亞利桑那大峽谷等化石群。沒有人能夠對進化速度的急劇變化做出解釋。除了觀察到這一時期的化石越來越多，因為當時的動物已經形成了能夠留下印記的堅硬骨架。有研究者認為，這種現象是對嚴酷冰河時代之後突然出現的暖期做出的反應。

在世界上所發現的所有化石中，幾乎有一半是三葉蟲化石，三葉蟲是大約5億年前廣泛分佈的一種無脊椎動物群，他們突然毫無預兆地出現在化石記錄中，大約2.42億年前又大規模死亡，該物種75%-90%消失，現代龍蝦和馬蹄蟹屬於他們的後代。

6.脊椎動物的出現

大約5-4億年前，脊索動物（包括尾索動物、頭索動物和脊椎動物）出現了。人們在伯吉斯頁岩化石中發現了皮卡蟲，它是最早為人所知的脊索動物門成員，人類和其他脊椎動物也屬於這個群。皮卡蟲是類似於蠕蟲，可以游泳的生物，由軟骨組織構成的一條堅實脊索貫穿全身。它很可能是所有魚類，兩棲動物，爬行動物，鳥類，哺乳動物以及我們人類的祖先。

最早的脊椎動物是從有脊柱無骨頭的生物（比如皮卡蟲）進化而來。脊椎動物，或者脊柱由骨頭構成的動物，會逐漸進化出主要的背脊骨、頜、正面和背部以及保護神經系統的頭部。早期的無頜魚大約30cm長，它吸吮海水及其包含的任何物質。到4億年前，一種類似鯊魚的生物進化出來了，他們的頜比現在任何海洋生物的都更強勁有力。脊椎動物還進化出了類似的眼睛結構。分子生物學家現在認為，所有有眼生物都是某種海蔘蠕蟲的後代，這種蠕蟲生活在5億年前，它們為最初的色素進化出了一種基因，不過眼球晶體和眼睛的其他成分似乎是在許多不世系中分別進化而來的，這是趨同進化的一個巨集大例子。

直到大約4.75億年前，所有生物都還居住在海洋中，生命的化學性質是在水中發展起來的，陸地對生命來說是危險的，但進化的腳步並不會停止於此，這一點我們都知道。【本節完】

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