第一章 善其事先利其器—進化的基礎知識
第一節 滄海桑田—地球的簡單演變
我們要講生物的進化，就不得不先了解地球的演變，因為生物都是生活在地球上的，地球是形形色色的生物的母親，地球的演變是每種生物進化的大背景。首先我們要知道，地球史是不可逆的，也是不可重複的。地球總的歷史已有46億年，但人類產生才300萬年左右，而人類文明史僅僅只有6000年左右，因此人類不可能直接了解地球漫長的早期史。
但是，地球史有其本身的發展規律及周期系統，我們可以根據各種類型的巖石、化石、巖層變形的跡象等地質記錄，利用放射性同位素衰變測定法、古地磁法等現代科技手段進行研究，根據人類已經掌握的知識，可把地球這個蔚藍色星球的演變史分為以下五個階段：
1.誕生和童年
眾所周知，地球是太陽系的一個成員，要認識地球形成和早期的演變歷史，就離不開探索整個太陽系的起源，而太陽系又是眾多恆星中的一員，我們可以根據恆星演變的一般規律推測太陽系以至地球的起源。
一顆恆星的演化可大體上分為三個階段：第一階段為引力收縮階段，即瀰漫星雲間的相互引力而集中成一團團星雲；第二階段為核反應階段，原始星雲間相互碰撞發熱，內部進行劇烈核反應；第三階段為衰老階段，即作為核聚變燃料氫和氮等逐步耗盡。
如此看來，地球最早可能是由大大小小的星雲團集聚而成的。一般認為在距今46億年前它已經增長到與現代地球質量相近了。這時候的地球還只是許多微星的集合體，叫原地球。原地球在引力收縮和內部放射性元素衰變產生熱的作用下，不斷受熱，各種元素迅速向地心集中，在46億年前左右形成地核和地幔、地殼初步分異。原始地殼比較薄弱，而地球內部溫度又很高，因此，火山頻繁活動，從火山噴出的許多氣體，構成原始大氣，我們把這種大氣叫還原性大氣。這種還原性大氣在閃電、紫外線、衝擊波、射線等能源下，形成一系列有機小分子化合物。時間推移，不斷演進，這些有機小分子化合物或直接落入原始海洋，或經由湖泊、河流匯集到原始海洋，在海洋中層長期積累、相互作用，進一步縮合成生物大分子，這些生物大分子在原始海洋中積累，形成多分子體系，進而在一定的環境條件下，大約在35億年前終於形成了具有新陳代謝和自我繁殖能力的原始生命體。
地球的童年，從距今46億年形成時期起，大約延續到距今30億年，一共15.16億年。當然，對於地球的童年，我們現在知道得還不多，仍然是一個有待進一步探索的課題。
2.少年時期
從距今30億年左右到5.7億年這段時間，地球進入了少年時期，也就是前古生代時期。雖然這個時期延續時間十分漫長，大氣、水、生物圈也都有很大發展，可是生物界也還只是有菌類、藻類和一些低等原生動物等。這跟寒武紀以後生物界突飛猛進大大不同。
地球進入少年時期是以最早出現小塊陸核作為標誌的，後來大陸就是由陸核逐漸擴大而形成的。地球上發現的有確鑿證據的小塊穩定陸核形成於距今38億年前，地點在西格陵蘭島。直到25億年前，各大陸內相繼形成若干個小塊穩定陸地。
後來，在距今17億年左右，地球經歷了一次穩定大陸形成事件，這對地球來說具有巨大意義。在相對比較短的歷史階段裡，穩定大陸的面積大大增加，大陸差不多接近了它現在的規模。這樣的大陸叫原地臺，但形成的原地臺還比較薄弱，保留有相當的「活力」。
從原地臺到地臺的轉變時期是從距今17億年到距今14億年，據科學分析，原地臺曾多次被來自地球內部的力量所打碎，又不斷被下面湧上來的巖漿物質所膠結，變得越來越厚。這樣，原地臺就變得越來越穩定了，因此地球進入了一個新的階段。在此時期，生命也已經有了細胞形態，主要代表就是藍藻。
3.古生代時期
古生代時期大約距今5.7億年，經歷了3.4億年時間，這期間的地層可分成早古生代、晚古生代兩期。早古生代分為寒武、奧陶、志留三個紀；晚古生代包括泥盆、石炭、三疊三個紀。
在古生代這3.4億年時間是最古老生命的時代，地球到這個時期已經歷了幾十億年的演變。大氣圈、水圈、巖石圈的物質組成和結構跟今天地球情況差不多。從寒武紀開始，地臺經過長期風化、剝蝕、搬運等外力地質作用，地球表面高低差異減少，低洼區域屢遭海水浸漫，淺海面積不斷擴大。而到了志留紀末期，地臺周圍和地臺之間的地槽區發生了大變動，延續時間為幾百萬年，原來低平地區重新被抬高，簡單地貌複雜起來。經過這次翻天覆地之後，有的地方發生了傾斜、褶皺，有的地方發生了斷裂，大陸總面積擴大。後來，太平洋若干地區重新發生海浸，在石炭紀中期，海浸規模達到最大。從石炭紀晚期開始，強烈的構造運動使地槽裡的沉積巖和火山巖層產生劇烈的褶皺，轉化成褶皺山系。這個時期全球大陸塊達到最大程度的相互接近，這就形成了全球統一大陸—潘加亞大陸，大陸總面積已經跟今天地球上的大陸總面積相差無幾了。
4.中生代時期
地球的中生代時期分為三疊、侏羅、白堊三個紀，從距今2.3億年開始到6700萬年前結束，延續時間大約1.6億年。
中生代開始以後，地球史發展出現了新的轉折。潘加亞大陸逐步解體，各個陸塊漸漸趨向於漂移到現代所處的位置，這就基本上是現代世界的版圖啦。當然巖石圈仍不太安穩，又經歷了一系列重要的變動。
中生代的三疊紀經歷了兩三千萬年。到了三疊紀過渡期，在北美、南美之間和歐亞、非洲之間發生了分裂，在南部的幾個陸塊之間也發生分裂，開始互相說拜拜；到了侏羅紀晚期，各個陸塊進一步分裂，在北美和歐亞大陸之間，南美和非洲之間產生了一條大體上是南北方向的巨大裂隙，陸塊向兩邊移開，海水浸進去，逐漸形成我們今天的大西洋；又過了7000萬年，到了白堊紀晚期，情況又進一步變化，各大陸繼續互相移開，最顯著的是南美洲和非洲之間的距離加大，也就是說南大西洋有了明顯的擴張。
這些都首先是奧地利天才的地球物理學家魏格納於1912年提出的，即大陸漂移假說。他的假說在地質學和古生物學的文獻資料中都找到了論據，其次還有古生物資料和古氣候資料的支持。但是，他的這個天才假說在盛行一時之後便遭冷落了。直到19世紀50年代初期，古地磁學的興起，研究證明大陸漂移的軌跡與古地磁學是吻合的，這才又讓他的假說重見天日。
中生代的氣候條件總的說來是有利於動植物發展的，中生代早期的植物以裸子植物，如松柏、銀杏以及某些真蕨為主。到中生代晚期，出現了能夠真正開花結果的植物—被子植物。在動物界裡，中生代常常被稱為「爬行動物時代」，其中以恐龍最為繁盛，到侏羅紀時期成為地球的霸主，但是在白堊紀卻突然滅絕了，恐龍的滅絕至今還是得不到恰當解釋的科學之謎。
5.新生代時期
新生代時期是地質歷史時期中最新的一個時代，也是地球的成熟時期，包括現代在內，整個新生代大約為6700萬年，由第三紀和第四紀組成。雖然新生代延續時間相對較短，但就在這個時期，地球表面海陸分布、氣候狀況、生物界面貌逐漸演變到現代的樣子。
新生代時期最突出的事件是非洲跟歐洲的接近和印巴次大陸跟亞洲的相撞，其結果使一部分巖石圈上層物質互相推擠，形成了橫亙於南北半球之間，綿延幾乎達到地球半周的最雄偉的山系和高原，這些山系和高原西起非洲北部的阿特拉斯山，經南歐的阿爾卑斯山，東延喀爾巴阡山，接高加索山，再向東就是世界屋脊喜馬拉雅山和青藏高原，再向東南去，中南半島和印尼諸島的山脈也都跟它相連。這就是阿爾卑斯山造山運動和喜馬拉雅山造山運動的產物。
在這一時期，太平洋板塊跟周邊大陸的相互擠壓作用，也使大陸邊緣的構造帶發生了強烈的變形，並且伴有強烈的地震活動，這些作用一直到現代還在繼續。並且在這一時期內被各個地質歷史時期的運動所形成的斷裂切割成的斷塊，在地球自身力量的影響之下，發生了互相推擠或相對升降，形成了山地、高原、盆地和平原。
新生代早期已經有了哺乳動物，主要有兩大類：古有蹄類和古食肉類，隨著它們的進化，到了第三紀中、晚期，古有蹄類先是有奇蹄類，如馬、犀等，後有偶蹄類，如羊、牛等；古食肉類也漸漸進化成各種猛獸，如獅、豹、虎等。生物經過幾十億年的進化，走過了從無到有、從低級到高級的許多發展階段，終於在最新地質歷史時期產生了生命之花—人類。
科學發展到現在，地球由外力作用和內力作用相結合的演變史的研究成為了可能，並將朝著更高端和科學的方向發展下去！
第二節 由簡到繁—細胞的簡單演化
細胞大家都聽過，它是由細胞膜包圍著含有細胞核或擬核的原生質所組成的，是生物體的結構和功能的基本單位，也是生命活動的基本單位。一言以蔽之，沒有細胞就沒有生命。由此，我們要研究生物的進化就必須得了解細胞的一些知識。細胞的演化是生物進化的大背景，細胞的演化史伴隨著生物的進化史。細胞能夠通過分裂而增殖，是生物體個體發育和系統發育的基礎，它是遺傳的基本單位。從地球生命的產生到人類的出現和發展，細胞扮演著重要的角色，在這漫長的大約35億年中，生物進化史既是系統發育的歷史，又是不斷適應環境、擴大生存空間的過程。下面我們本著簡單和循序漸進的原則講講細胞演化的歷史。
1.從無機物到有機物
生命的起源一般認為是物質從無機物到有機物演化而來的。
上一節我們講到了地球原始大氣，地球原始大氣富含甲烷、氨、二氧化碳、水汽等，這些氣體在外界高能，諸如紫外線、閃電、高溫的作用下，首先合成胺基酸、脂肪酸等小分子有機化合物。這些小分子有機化合物，在適當的條件下，可以進一步結合成更複雜的蛋白質、核酸等大分子有機物質，然後在合適的條件下經過進一步演化，終於產生了能夠不斷地進行自我更新的、結構非常複雜的多分子體系。至此為止，原始生命誕生了！
當非細胞形態的原始生命在地球上出現時，由於大氣中仍然缺氧，因此，它們一定是厭氧和異養類型。從上一節我們知道，地球約形成於距今46億年前，從澳大利亞發現的距今35億年的瓦拉翁納群中的絲狀細菌化石表明，生命的起源亦即化學演化的過程，應發生在地球形成後約11億年。生命的產生是地球演化史上的一次最大的飛躍，具有重大意義，使得地球歷史從化學演化階段推向生物演化階段。
2.細胞膜的出現
據科學推測，最初的生命應是非細胞形態的生命，為了保證有機體與外界正常的物質交換，原始生命在演化過程中，形成了細胞膜，出現了細胞結構的原核生物。細胞是生命的結構單元、功能單元和生殖單元，細胞的產生是生命史上的又一次重大的飛躍。當前，地球上發現最早具有細胞結構的可靠化石是瓦拉翁納群中的絲狀細菌化石。
3.從異養到自養
隨著時間的推移，地球上最早出現的異養型原核生物細菌，經過不斷地分化和發展，終於又出現了能夠進行光合作用、從無機物合成有機養料的自養型原核生物—藍藻。藍藻和細菌作為早期生物界的合成者和分解者，組成物質循環的兩個基本環節，形成了一個完整的生態系統。從異養到自養是早期生物演化的另一次重大的飛躍。
4.從厭氧細胞到喜氧細胞
藍藻是最早出現的放氧生物，使得地球上原始大氣中氧氣濃度不斷增加，形成含氧大氣層，基於這一點，我們可以說，藍藻對後面的喜氧生物功不可沒。在高空出現的臭氧層，吸收了太陽的紫外輻射，改變了整個生態環境，為喜氧生物提供了有利的生活環境。於是，生物便由厭氧轉入喜氧，提高了能量代謝的效能。在加拿大甘弗林組中，發現了完好的距今約20億年的細菌和藍藻化石。
5.從原核細胞到真核細胞
從原核到真核是生物演化從簡單到複雜的轉折點，具有裡程碑的意義。最早具有細胞的生物是單細胞原核生物。原核細胞沒有核膜，沒有細胞器，結構簡單。真核細胞具有核膜，整個細胞分化為細胞核、細胞質和細胞膜三部分，細胞核內具有染色體，成為遺傳中心，細胞質內進行蛋白質合成，成為代謝中心。由於細胞結構的複雜化，增強了變異性，使得真核生物能夠向高級體制發展。現已發現了距今約13億年的美國加利福尼亞貝克泉組的白雲巖中的原核藍藻和真核綠藻。綠藻還發現於距今約10億年的澳大利亞的苦泉組。綠藻是最早具有真核的生物。
6.三足鼎立
隨著真核生物的出現，動、植物開始「分道揚鑣」。動物的出現，形成了一個新的生態系統三足鼎立的三級格局。
綠色植物，即真核植物和原核藍藻通過葉綠素光合作用製造食物，是自然界的生產者。細菌和真菌，是自然界的分解者。動物，是自然界的消費者。它們環環相扣，缺一不可。
地史上最早的動物化石是距今6億—7億年的澳大利亞的伊迪卡拉動物群，其中以腔腸動物的似水母類、海鰓類、環節動物和少量節肢動物為主。還有一部分分類位置未定的疑難化石，很可能代表地史上曾經「曇花一現」的類群。從動物的分化水平看，伊迪卡拉動物群已是較後期的類型，不是動物的原始代表。這標誌著後生動物在元古宙早已出現，並經歷了一段相當長的分化演變過程。
早古生代在生物演化史上稱為「海洋藻類時代」和「海洋無脊椎動物時代」。起始於距今6億年，延續了約1.7億年。
而這個時候植物仍以海生藻類為主，但很難保存為完好的化石。由於植物進化速度遠較動物緩慢，早古生代植物界一直停留在藻類階段。藻類的大量繁育不僅為海洋無脊椎動物提供了豐富的食物資源，而且通過葉綠素光合作用，放出氧氣，為海洋無脊椎動物的發展，準備了有利的生活環境。至此為止，細胞的演變到了明細的分化階段，以植物和動物為兩個大板塊。
第三節 震動歷史—達爾文的進化論
在我們這個世界上，恐怕沒有人不知道達爾文和他的進化論觀點，恩格斯將「進化論」列為19世紀自然科學的三大發現之一，其他兩個是細胞學說、能量守恆和轉化定律。達爾文所提出的天擇與性擇，在目前的生命科學中是一致通用的理論。除了生物學之外，他的理論對人類學、心理學以及哲學來說也相當重要。可以說，在20世紀幾乎沒有比進化論更能震動人類思想的理論了。
1.「不務正業」的學生
達爾文1809年2月12日出生在英國的施魯斯伯裡。祖父和父親都是當地的名醫，家裡希望他將來繼承祖業，16歲時便被父親送到愛丁堡大學學醫。但達爾文從小就熱愛大自然，尤其喜歡打獵、採集礦物和動植物標本。進到醫學院後，他仍然經常到野外採集動植物標本。父親認為他「遊手好閒」「不務正業」，一怒之下，於1828年又送他到劍橋大學，改學神學，希望他將來成為一個「尊貴的牧師」。達爾文對神學院的神創論等謬說十分厭煩，他仍然把大部分時間用在聽自然科學講座上，自學大量的自然科學書籍，一如既往對神秘的大自然充滿了濃厚的興趣。
2.傳奇的經歷
1831年，達爾文從劍橋大學畢業。他放棄了待遇豐厚的牧師職業，依然熱衷於自己的「老本行」—自然科學研究。這年12月，英國政府組織了「貝格爾」號軍艦的環球考察，達爾文經人推薦，以「博物學家」的身份，自費搭船，開始了漫長而又艱苦的環球考察活動，這是他一生的傳奇經歷之一。
達爾文每到一地總要進行認真地考察研究，採訪當地的居民，有時請他們當嚮導，跋山涉水，採集礦物和動植物標本，挖掘生物化石，發現了許多沒有記載的新物種。他白天收集各種各樣「讓人不可思議的沒用的石頭」，晚上又忙著記錄、收集整理。在這些常人難以理解而又艱苦卓絕的考察過程中，達爾文整日思考著一個問題：自然界的奇花異樹，人類萬物究意是怎麼產生的？它們為什麼會千變萬化？彼此之間有什麼聯繫？這些問題在腦海裡越來越深刻，逐漸使他對神創論和物種不變論產生了懷疑，他的「叛逆」性格開始顯現。
1832年2月底，「貝格爾」號到達巴西，達爾文上岸考察，向船長提出要攀登南美洲的安第斯山的要求。船長大吃一驚，但被他的精神所感動，答應了他的要求。當達爾文攀到海拔4000多米的高山上時，他意外地在山頂上發現了貝殼化石！經過反覆思索，他終於明白了地殼升降的道理，對自己的猜想有了更進一步的認識：「物種不是一成不變的，而是隨著客觀條件的不同而相應變異！」後來，達爾文又隨船橫渡太平洋，經過澳大利亞，越過印度洋，繞過好望角，於1836年10月「滿載而歸」。
3.物競天擇，適者生存
在歷時五年的環球考察中，達爾文積累了大量的資料。回國之後，他一面整理這些資料，一面又深入實踐，同時，查閱大量書籍，為他的生物進化理論尋找根據。1859年11月，達爾文經過20多年研究而寫成的科學巨著《物種起源》終於出版了，並立刻在世界範圍內引起了巨大轟動。
在這部書裡，達爾文旗幟鮮明地提出了「進化論」的思想，說明物種是在不斷的變化之中，是由低級到高級、由簡單到複雜的演變過程，它的問世，第一次把生物學建立在完全科學的基礎上，以全新的生物進化思想，推翻了「神創論」和物種不變的理論。在這部巨著中，達爾文系統闡述了「物競天擇，適者生存」的進化學說：第一，一般進化論—物種是可變的，現有物種是由別的物種變化來的，一個物種可以變化成新物種；第二，共同祖先說；第三，自然選擇說—種群中的個體存在變異，那些具有適應環境的有利變異的個體將存活下來，並繁殖更多的後代，而具有不利變異的個體將逐漸被淘汰，這種微小的變異會在長期的自然選擇過程中得到積累而導致新物種的形成；第四，漸變論—即物種是通過微小的優勢變異逐漸改進的。
當時《物種起源》沉重地打擊了神權統治的根基，在世界範圍內引起了激烈爭議，擁有傳統思想的人們狂怒了，而擁有新思想的人們卻廣泛贊成，並使進化論漸漸演化成超出生物學範疇的一種哲學思想。現在隨著社會和科學的發展，不少科學家對進化論提出了質疑，但《物種起源》的偉大性不容置疑，巨著地位無法被撼動！
4.達爾文的晚年
晚年的達爾文，儘管體弱多病，但他仍以驚人的毅力，頑強地堅持進行科學研究和寫作，連續出版了《人類的由來》等很多著作。1882年4月19日，這顆偉大的心臟停止了跳動，全世界為之哀痛，人們把他的遺體安葬在牛頓的墓旁，以表達對這位科學家的敬仰。
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