地球生命簡史

我們對於某些先進機械或裝置的複雜度與其功能往往讚嘆不已。其實，在我們周遭還有更為精緻、複雜的東西，那就是生命體。生物學就是在描述生命體的現象。由於生命體的結構複雜，種類與功能繁多，一般有關生物學的書往往相當煩瑣。我想，簡易而有條理的生物學或許有助於讀者的閱讀。如何有條理？或許從生命史的觀點來敘述生物學是相當好的切入點。
地球生命史可說是生命演化的歷史。演化（evolution）是達爾文觀察生物的物種變化所歸納的概念。急劇的變化通常稱為革命（revolution）。物種的變化通常不是一蹴可幾的，也許經過很長的時間累積了許多小變異，我們才發現物種的明顯變化。譬如說無細胞核的單細胞生命（原核生物）約於38億年前出現，而有細胞核的生命（真核生物）約於18億年前出現。也就是說演化往往是緩慢漸進的。本書主要以演化的觀點來敘說生物學。

蔡宏斌
1959年出生於福建省金門縣。1987年得到國立清華大學化工博士學位。
歷經了研究工作（工業技術研究院）與教學（國立宜蘭大學）近40年來，左思右想，我發覺自己還真是個很平凡的教授。有位企業界的朋友跟我分享個話題：「蔡博士，你認為研究跟開發有什麼區別呢？」我們學界都很清楚開發是要讓研究成果進入商業化的階段。他老兄的思維就是不一樣：「研究只是讓自己一個人高興，而開發卻是可讓很多人高興的。」他提醒了我們，不要老是鎖在自己的象牙塔裡。又有一位好朋友說到他一生最大的期望是擁有一面牆的書。忽然間，我覺得自己還相當豐實，家裡有兩面牆，而學校有半面牆的書。所以心裡就想著：我應該用歸納整理的專業訓練將牆上的書轉化成眾人易於理解的知識。所以我就寫了一些大家比較容易看得懂的書。

前言
生命是什麼？或許可以說就是活著（Life is to live）。而具有生命現象者就是生物。事實上，生命還真的很難定義。譬如說我們通常把腦死當作人的死亡，生命消逝了。可是，人的幹細胞還可以經由細胞培養的技術來複製，那麼，幹細胞還活著嗎？地球上的生物學家通常認為生物的特徵為：細胞結構、新陳代謝（維持生命的化學反應的組合）、恆定性（homeostasis）、生長與繁殖、遺傳。另外的特徵為適應環境以及對刺激作出反應。當然，我們不易找到公認的定義。簡單來說，生命就是具有生命機制的物體。地球之外有沒有生命，這是有待驗證的問題。從地球生命的演進來看，宇宙其他地方是有很大很大的機會演化出生命的。至於是否有外星智慧生命？還是有可能的。而從地球生物的壽命來看，有智慧的外星生命能夠造訪地球的機率是無限接近於零的。
有適當的環境與條件，譬如說有液態水及有機物的環境與源源不絕的能源，就有機會形成生命。至於會變成怎樣的生命，就要看是如何演化的，這是個多變數函數。所以地球生命史就是生命演化的歷史。

目錄
前言
 1. 地球的出現
 2. 生命的開始
 3. 遠古生物演化的證據
 4. 原核生物的特徵
 5. 細菌的種類
 6. 古菌的種類
 7. 真核生物的出現
 8. 原生生物的演化
 9. 真核細胞的特徵
10. 原生生物的種類
11. 真菌的演化
12. 真菌的種類
13. 真菌在生態上的角色
14. 動物的演化
15. 陸生植物的演化
16. 脊椎動物的演化
17. 動物的結構與一些特徵
18. 人類的演化
19. 動物消化系統的演化
20. 動物循環系統的演化
21. 動物呼吸系統的演化
22. 泌尿系統的演化
23. 動物感覺與神經系統的演化
24. 免疫系統的演化
25. 內分泌系統
26. 生殖的演化與造人計畫
參考文獻

1.　地球的出現
我們的宇宙約在137億年前，由一個溫度極高、密度極大、體積極小的原始奇異點經由大霹靂爆炸後，經一百多億年膨脹演化而形成。
約46億年前，銀河系有一片數光年大的雲氣，稱為原始太陽星雲。這是典型的雲氣，其主要成分是氫與一些氦，更重要的是還有前幾代恆星所製造的少量重元素所形成的灰塵，係由超新星爆炸所吹來的。重力使雲氣旋轉，在合適的條件下雲氣坍縮了。坍縮時因為角動量守恆，使得轉動得越來越快，開始變得扁平，成為圓盤狀。而雲氣核心集中了大部分的質量。重力收縮使核心溫度提高，當核心溫度到達約1000萬度，便點燃了氫的核融合，那就是太陽。此過程也許經過了約10萬年，而剩下一輪塵埃圓盤，即所謂的原始行星系圓盤。
太陽之外，原始行星系圓盤擁有約1～2%的太陽質量。原始行星系圓盤的主要成分為氫及氦，還有一些岩石、鐵、冰，及其他化合物的成分。也就是說旋轉的雲氣中含有的眾多的懸浮塵埃。塵埃一開始是1微米以下的固體粒子。在低溫下，水與二氧化碳等簡單的分子都可黏附於塵埃上，更何況是複雜的分子如甲醛、氫氰酸、乙二醇醛（glycolaldehyde）等前生物分子。也就是說構成地球生命的材料來源似乎是早存在於宇宙全域。這些塵埃隨圓盤一起旋轉，並凝聚吸積。微米級的粒子間重力吸引力很微弱，之所以聚集在一起靠的是電磁力，也就是靜電吸引力或是凡得瓦力。當聚集得更大時，重力開始顯著，使得大者會更大，形成各種大小的岩塊。較大的顆粒會吸引較小者，就像滾雪球般越來滾越大。當尺寸到達約數公里時，重力已成為主導者。這時可稱為微行星（planetesimal），重力會使其凝聚變圓，就有點像天體了。微行星繞行太陽，彼此碰撞而逐漸成長。有一些聚集成月球般大小的原行星（proto-planet）。約100萬年左右後，太陽系成為生氣蓬勃的系統，或許含有約20顆月球般大小或更大的天體，寬度大於一公里者約100億顆，而更小的物件就更多了。那麼多的物件彼此碰撞，有些黏在一起，有些散開，又被重力拉扯，或許也還會聚集。
木星所在的位置以吸納質量的觀點來看可謂得天獨厚。在那位置周圍，冰會凝聚，以致固體行星材料的質量增大。推測原行星的質量的可能達到5至10倍地球質量，重力變得非常強而能維持大氣。於是乎圓盤上大量的雲氣被原行星捕捉了，同時更多的微行星加入了。如此推波助瀾，太陽系最大的氣體行星，木星，形成了。約花費了500萬年，木星達到最終質量。木星的岩核達約29倍地球質量，而所捕獲的大氣質量達約288倍地球質量。土星的岩核與木星相當，也能吸納圓盤上的雲氣成為氣體行星。由於位置的關係，土星所捕獲的大氣僅有木星的四分之一。土星約花了700萬年達到最終質量，約95倍地球質量。更偏遠的天王星與海王星，大小分別約為14及17倍地球質量，也有趨勢形成大型氣體行星。然而，偏遠位置代表微行星密度低，天王星與海王星達到5至10倍地球質量時或許圓盤上的雲氣量已相當少了，大部分被木星及土星捕獲了。所以天王星與海王星沒能形成氣體行星，而成為中型冰行星。之所以成為冰行星是由於天王星與海王星位置已超過太陽系的冰凍線，一些化合物與水等易揮發物質如今業已被凍結。再往外的冥王星與其他天體，無法捕獲雲氣，僅能以碎片、冰塊等來形成。有些形成冰凍彗星，位於天王星之外，甚至棲息古柏帶或更遠的奧爾特雲。
類地行星（水星、金星、地球及火星）形成的過程類似地球。地球軌道一帶無數的微行星相互撞擊，聚集成長。而其中最大的一顆以重力更為有效地聚集周邊的微行星，逐漸成長為原地球。原地球也許有原生大氣，原始雲氣殘存下來的氣體（主要是氫和氦），但會被太陽風（太陽所噴發出來的高速帶電荷質點）一掃而光。變大的原地球接連被微行星撞上，能量化為熱而使原地球溫度增高。微行星所含有的易揮發成分便因碰撞而逸散，於是氣體脫離。此氣體的主要成分為水蒸氣。原地球的直徑達到約現今的地球的1/3以後，重力已足以維持保持一些氣體。於是乎原地球開始環繞著一層原始大氣。而原始大氣的重要成分水蒸氣具有溫室效應。當原地球的直徑達到約現今的地球的1/2以上後，微行星的碰撞速率變快了，加上原始大氣的溫室效應，原地球的表面溫度大幅增高。於是乎岩石融解了，最後形成了深度約幾百公里的岩漿海。岩漿海之中，密度較大的鐵等金屬往下沉，密度較低的岩石漿浮起。之後，每當微行星撞擊原地球，所帶來鐵質都會融化，而後再沉入中央形成鐵核。
類地行星大致是如此的，受了撞擊，溫度增高。而若撞擊次數夠多，或撞進來的天體夠大，就變得熾熱，鐵就從岩質原料當中融解出來，沉入岩漿內形成鐵質核心。這類撞擊事件在太陽系出現後的一億年間發生得很頻繁。其中一起重大撞擊完全影響了地球，並形成了月球。原地球長成接近最終質量後約1000萬年，有一顆火星大小天體撞擊了地球。猛烈的撞擊產生巨熱，以致兩個鐵核相融，而地球的岩質外殼也向外拋上太空，形成一道環圈。過了一段時間，拋射出的物質因重力牽引聚攏，凝結成月球。由於是外殼物質形成的，以致月球沒有鐵核。類地天體或其他的太陽系大型天體皆有鐵核。月球還讓地球降低地軸的瘋狂擺動，使得最後地球和緩搖轉。更為有趣的是月球總是以同一面朝向地球，此應係由於潮汐力學作用所造成的結果。而地球相對於太陽的傾角，後來造就出四季更迭溫和變化。換言之，月球如此形成將對地球生命演化有決定性的影響。
經過約一億年頻繁轟炸，太陽系就沉靜下來了。撞擊少了，地表就會固化。類地行星也大致是如此的。較為穩定的軌道使撞擊減少。也許是巨大氣體行星的位置轉移，複雜的潮汐效應又攪亂了太陽系。於是乎太陽系形成後約5到8億年（距今41億至38億年前），轟炸又重行轉劇。這段晚期重轟炸期讓地表一再融解，也讓地質時鐘歸零。之後，太陽系變得相當安定，天體運行也跟現今所見相似。也就是說太陽系已然形成，數大行星繞行太陽，其他天體大都擺進了小行星帶，古柏帶或奧爾特雲。
當地表冷卻後，地球就成了地殼-地函-地核的結構。地球形成後約一億年後，微行星撞擊少了很多，水蒸氣也凝結成雨滴，也就形成了原始海洋。而地函岩漿流動偶而衝出地殼，也就是火山了，可能高出海面而形成陸地。火山爆發也讓許多氣體釋出，從而形成了第二道大氣層。新的大氣層可能包括氨、甲烷、水蒸氣、二氧化碳、氮氣等氣體。而在晚期重轟炸期，或而某大天體撞擊使地表融解，高溫也使水蒸發，大氣充滿了水蒸氣。約38億年前，地球冷卻，大雨滂沱，水匯集起來形成了海洋。到如今，海洋的的面積占了地球表面的百分之七十。
海洋也影響了地函的活動。地函對流，有上升，有下降，有平移，又牽扯地殼板塊，或許有週期性，使得突出海面的大陸持續成長。海洋地殼由海底火山的噴出物累積而成，厚度約5公里。而大陸地殼的厚度可達約30至40公里。某些時期激烈的火山活動使大規模的熔岩流出，也使大陸地殼大為成長。大幅成長的時期有三次，分別約為27億年前，19億年前以及6億年前。所相應的，大陸會反覆分裂並再次聚攏成超大陸。大約19億年前形成了內納超大陸，其後分裂。約14至15億年前，潘諾西亞（Pannotia）超大陸形成了。之後分裂。約7至10億年前形成了羅迪尼亞（Rodinia）超大陸。約7億年前，羅迪尼亞分裂成3塊，隨後在約6億年前合體，最後形成盤古大陸。之後，盤古大陸分裂成北邊的勞亞大陸與南邊的岡瓦納大陸。隨後，勞亞大陸分裂成歐亞大陸與北美大陸。岡瓦納大陸分裂以後，就變成現今的大陸分布。
約38億年前的暴雨期使大氣中的水蒸氣大部分消失。雨滴也會吸收二氧化碳，二氧化硫和氯氣。二氧化碳溶於水中形成碳酸，最終進入海洋，與鈣、鋇等離子結合成碳酸鹽礦物質沉積到海底。於是乎大量的二氧化碳也從大氣中消失了。如此，大氣中的主體為不溶於水的氮氣。也就是說如果沒有海洋，地球的大氣應會如金星一般充滿了二氧化碳。而如果沒有生命，如今地球的大氣主要成分應為氮氣。