幻灯片 1

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1 上海交通大学通识教育核心课程 人类起源与发展 生命科学发展史

2 ( 一 ) 宇宙的形成

3 仰望星空 : 宇宙有多大, 是怎么形成的? 地球又是什么情况? 生命又是怎么形成的?

4 爱德温 哈勃 (Edwin P. Hubble,1889~1953) 美国天文学家 哈勃的重大贡献 1. 天外有天 观察到的 星云 ( 仙女座大星云 和 M33) 不属于银河系, 是另外与银河系相当 的恒星系统 开创了星系天文学, 建立了大尺度宇宙的新概念 ; 2. 发现了星系红移 - 距离关系 星系看起来都在远离我们而去, 且距离越远, 远离的速度越高 促使现代宇宙学的诞生 哈勃定律 : 河外星系退行速度同距离的比值, 它是一个常数, 常用 H 表示, 单位是千米 /( 秒 百万秒差距 ),NASA 于 2012 年 10 月 3 日宣布, 根据斯皮策红外空间望远镜的测量结果得出新的哈勃常数值为 74.3±2.1(km/s)/Mpc,Mpc 表示百万秒差距, 大约为 300 万光年, 即在每增加 300 万光年的距离上, 星系远离地球的速度为每秒增大 4.3±2.1( 秒 百万秒差距 )

5 宇宙起源假说雏形 ( 原始原子 ) 1927 年 : 均质的宇宙质量不变, 半径不断增加 1931 年 : 现在的宇宙在不断膨胀, 它起源于一个原子的放射性裂变 乔治 爱德华 勒梅特 (Georges Henri Joseph Éduard Lemaître, ) 比利时神父 天文学家

6 热大爆炸宇宙学模型 1940 年代, 伽莫夫将相对论引入宇宙学, 提出了热大爆炸宇宙学模型 : 宇宙最初开始于高温高密的原始物质, 温度超过几十亿度 随着宇宙膨胀, 温度逐渐下降, 形成了现在的星系等天体 他预言了宇宙微波背景辐射的存在, 推算宇宙微波辐射温度为 6K(1956 年 ) 乔治 伽莫夫 (George Gamow, ) 俄裔美籍核物理学家 宇宙学家

7 宇宙微波背景辐射 阿诺 彭齐亚斯罗伯特 威尔逊 (Arno Penzias, ) (Robert Wilson, ) 德裔美籍射电天文学家美国射电天文学家

8 1964 年, 在贝尔电话公司工作的彭齐亚斯和威尔逊使用早期通讯卫星设计的天线, 接收到了来自天空的均匀 且不随时间变化的讯号 电视信号的 1% 来自宇宙辐射

9 1965 年, 他们在 天体物理学报 上发表了题为 在 4080 兆赫上额外天线温度的测量 的论文宣布了这个发现 随后普林斯顿大学的罗伯特迪克等人在同一杂志上解释道, 这就是 3K 宇宙微波背景辐射 宇宙微波背景辐射的发现为宇宙大爆炸理论提供了有力证据 彭齐亚斯和威尔逊获得 1978 年诺贝尔物理学奖

10 大爆炸宇宙论 宇宙是由一个致密炽热的奇点于 137 亿年前一次大爆炸后膨胀形成的 阿兰 哈维 古斯 (Alan Harvey Guth,1947-) 美国理论物理学家 宇宙学家 膨胀理论 : 宇宙是在瞬间膨胀形成的 每 秒大小翻一番, 整个过程只持续了 秒就形成了现在这个模样 暴胀之后, 宇宙继续膨胀, 但速度则低得多

11 2011 年诺贝尔物理学奖 萨尔 波尔马特 ( 美 ) 布莱恩 保罗 施密特 ( 美澳 ) (Saul Perlmutter,1959 年 -) (Brian Paul Schmidt,1967) 亚当 盖伊 里斯 ( 美 ) (Adam Guy Riess,1969-) 1998 年 : 宇宙膨胀速度不是恒定的, 更不是越来越慢而是不断加速即越来越快 ; 宇宙之中存在着一种与引力作用方向相反的力 - 反引力作用力 ), 既 暗能量 推动星系天体快速膨胀退行

12 浩瀚的宇宙 宇宙星系恒星行星卫星或小星体 宇宙中有 1400 亿个星系 ( 如银河系 ) 其中银河系有 亿颗恒星 ( 如太阳 ) 宇宙中有 100 万亿亿颗行星 ( 如地球 ) 宇宙中有多少卫星和小星体?( 如月亮 )

13 银河系 银河系是太阳系所在的星系, 包括 1000 到 4000 亿颗恒星和大量的星团 星云, 还有各种类型的星际气体和星际尘埃 它的直径约为 100,000 光年, 中心厚度约为 12,000 光年, 可见物质总质量是太阳质量的大约 1400 亿倍

14 太阳系 太阳系是以太阳为中心 :8 颗行星 ( 金星 水星 地球 火星 土星 木星 天王星 海王星 ) 至少 165 颗已知的卫星 5 颗已经辨认出来的矮行星和数以亿计的太阳系小天体

15 地球 地球是太阳系八大行星之一, 按照离太阳由近及远的次序排列为第三颗 地球是太阳系的第三颗行星, 也是太阳系中直径 质量和密度第一的类地行星

16 地球到太阳的距离有多远? 1771 年, 拉朗德根据欧洲天文学家观测的金星凌日资料 (1769 年 5 月 23 日 ), 首次算出地球与太阳间的距离为 : 1.52~1.54 亿公里 ( 今日的测量值 亿公里 ) 约瑟夫 杰罗姆 拉朗德 (Lalande,Joseph Jerome Le Francais de, ) 法国天文学家 数学家 科学史家 金星凌日

17 地球的年龄有多大? 原理 : 铀衰变为铅的比率计算岩石年龄 条件 :1. 测定陨石 ( 太阳系中的物质 ); 2. 建立了世界上第一个无菌室 ( 防止铅和微生物污染 ) 1953 年, 彼得森宣布地球的确切年龄 : 45.5±0.7 亿年 克莱尔 卡梅伦 彼得森 (Clair Cameron Patterson,1922 年 年 ) 美国地质学家和地球化学家

18 地球到底有多重? 1798 年, 卡文迪许根据扭秤实验, 计算出牛顿万有引力常量 G 的数值为 6.754X10-11N m2/kg2, 并由此推测出地球重量 : 亿亿吨 与现代推测的 亿亿吨相差 1% 亨利 卡文迪许 (Henry Cavendish, ) 英国化学家 物理学家

19 ( 二 ) 生命的出现

20 生命来自太空? 默奇森陨石 1969 年 9 月 28 日在澳大利亚维多利亚州默奇森 ( Murchison ) 附近发现的陨石, 属于碳质球粒陨石, 成分上总铁占 22.13%, 水占 12 %, 有机物含量较高 它是世界上被研究最多的陨石之一 目前已在其中发现了 74 种氨基酸, 其中 8 种氨基酸如甘氨酸 丙氨酸和谷氨酸 异缬氨酸和叔亮氨酸等与地球上蛋白质一样 它还含有一系列复杂的糖类 ( 羟基化合物 ) 哈雷彗星大约 25% 是有机分子 生命的种子可能是陨石带到地球的 开尔文 ( 华盛顿国立自然历史博物馆 ) 聪明的外星人故意把生命的种子播在了地球 弗朗西斯 克里克

21 最古老的岩石中存在过生命 在格陵兰的 38.5 亿年的岩石中发现了有机碳 碳分两种 : 无机碳和有机碳 另外它有重碳和轻碳之分 因此我们可以根据这个碳之中的轻碳和重碳之比, 就来可以推测这些碳的来源 科学家根据碳的同位素分析, 推测这些碳它是有机碳, 是来源于生物体 格陵兰岩石 (38.5 亿年 ) 我们的证据雄辩地证明, 至少在 38.5 亿年以前地球上就存在生命, 而这还不是最后的结论. 我们很可能发现生命存在的时间还要早 斯蒂芬 莫伊日什 ( 加利福尼亚大学,2009 年 )

22 沙克湾的叠层石 (36 亿年 ) 澳大利亚沙克湾 (Shark Bay), 拥有世界上最大的 ( 占地 4800 平方千米 ) 和最丰富的海洋植物标本, 并拥有世界上数量最多的儒艮 ( 海牛 ) 和叠层石 ( 与海藻同类, 沿着土石堆生长, 是世界上最古老的生存形式之一 )

23 叠层石 : 是一种具有很细纹层的石灰岩或白云岩, 由低等藻类的生命活动连同各种物理化学作用形成的 这些藻类主要由丝状蓝藻和绿藻组合而成, 一些真菌和红藻可能也参与了叠层石的形成 誉为 有生命的石头 36 亿个微生物 / 平方米岩石 20 亿年里使地球的氧增加了 20%!

24 埃迪卡拉动物群 ( 澳大利亚 ) 埃迪卡拉动物群是生活在 亿年前的前寒武纪一大群软体躯的多细胞无脊椎动物 1947 年斯普里格 (R.C.Sprigg, 地质学家 ) 在澳大利亚南部埃迪卡拉地区的庞德石英岩中发现斯埃迪卡拉动物群

25 埃迪卡拉动物群有 3 个门 ( 腔肠动物 环节动物 节肢动物 )8 科 22 属 31 种 特点是动物体增大, 门类增多, 结构变得复杂, 生活方式多种多样 该动物群化石在世界各地广泛分布, 表明当时其为海洋中的真正统治者

26 强大的三叶虫 最有代表性的远古动物,5.6 亿年前出现 ( 寒武纪复杂生命大爆发来临前 ),5.0 亿 ~ 4.3 亿年前发展到高峰, 至 2.4 亿年前的二叠纪 完全灭绝, 前后在地球上生存了 3.2 亿多年, 是一类生命力极强的生物 在漫长的时间长河中, 它们演化出繁多种类, 至少有 5000 个属,60000 种 它们有腮 神经系统 触角 古怪的眼睛 ( 方解石组成的复眼 ), 还有某种 大脑 背壳纵分为三部分 ( 头 腹 尾 ), 因此名为三叶虫

27 布尔吉斯页岩 ( 加拿大 ) 1909 年 8 月, 沃克特带领全家到加拿大落基山脉的布尔吉斯山去野外地质旅行, 发现了第一个保存完好的软体动物化石 布尔吉斯生物群化石约为 5.05 亿年前 中寒武纪, 它与中国贵州凯里生物群 云南澄江生物群构成世界三大页岩型生物群, 为寒武纪生命大爆发提供证据 目前已发现大约 119 属 140 种海洋动物, 改变科学界对寒武纪海洋生物的认知 唯一向我们充分展示现代生命起源的地方 Stephen Jay Gould( ) 美国古生物学家 查尔斯沃克特 Charles Doolittle Walcott ( ) 美国古生物学家

28 澄江生物群 ( 中国云南 ) 1984 年 6 月中旬, 中国学者侯先光在云南澄江 县的帽天山发现保存完整的寒武纪早期古生物化 石群, 再现了 5.3 亿年前海洋生命壮丽景观和 现生动物的原始特征 澄江生物群共涵盖 16 个门类 200 余个物种化石, 分属海绵动物 腔肠动物 线形动物 软体动物脊索动物等 10 多个动物门以及一些分类位置不明的奇异类群 它为揭示生物演化 寒武纪大爆发 的奥秘提供了极珍贵的直接证据, 被誉为 20 世纪最惊人的科学发现之一 2012 年 7 月 1 日, 澄江化石地正式被列入 世界遗产名录 侯先光 (1949 -) 中国古生物学家

29 History of Life Science

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32 凯里生物群 凯里生物群位于贵州黔东南州凯里市, 距今 5.2 亿年的海洋生物, 属中寒武 世早期 1982 年 11 月由贵州大学赵元龙教授等在发现 凯里生物群包括 11 大门类 120 多属动物化石 凯里生物群有娜罗虫 微网虫 奇虾虫 古蝠虫 奥托也虫 非三叶虫等和节肢动物 水母状动物 棘皮动物和软躯体化石等, 而微网虫 奇虾类等均为首次发现 凯里生物群属于世界三大页岩型生物群之一, 为寒武纪生物大爆发等的研究提供了重要证据

33 化石的故事 生物要变成化石的条件 : 1. 要死在恰当的地方 只有 15% 的岩石能够保存化石 ; 2. 当沉积物挤压 折叠和运动中, 化石要保证性状基本不变 ; 3. 藏匿了几千万或几亿年后, 被认为有价值的人发现

34 " 露西,Lucy" 化石, 320 万年 ( 埃塞俄比亚,1974 年 ) 阿尔迪 化石,440 万年 ( 埃塞俄比亚,1992 年,2009 年复原 ) 1. 在 10 亿根骨头中, 只有 1 根能变为化石 亿中国人 ( 每人 206 块骨头 ) 能留下化石的 268 块 且散布在 960 万平方公里 3. 一万个物种中, 不足一种有化石记录 4. 陆生动物不会死在沉积物中, 会死在旷野, 被吃掉或腐烂的一干二净 5. 大约 95% 的化石是一度在水底而主要是在浅海里生活的动物化石

35 显生宇宙 : 生命的爆发 古生代 : 亿年 分为寒武纪 奥陶纪 志留纪 泥盆纪 石炭纪和二叠纪 生物界开始繁盛 动物以海生的无脊椎动物为主, 脊椎动物有鱼和两栖动物出现 中生代 :2.5 亿年 万年 分为三叠纪 侏罗纪和白垩纪 主要动物是爬行动物, 恐龙繁盛, 哺乳类和鸟类开始出现 新生代 :6500 万年 - 至今 分为古近纪 新近纪和第四纪 地壳有强烈的造地运动, 中生代的爬行动物绝迹, 哺乳动物繁盛, 生物达到高度发展 后期有人类出现

36 23: 58 : 43 人类出现 23:40 哺乳动物 (45 亿年 ) 23:00-23:40 恐龙 22:24 有翼昆虫 22:00 植物 (42 亿年 ) 21:04 三叶虫 20:50 水母等软体动物 20:30 简单微生物 (39 亿年 ) 地球形成 46 亿年 =1 天 (24 小时 ) 4:00 单细胞生物 (7.6 亿年 )

37 ( 三 ) 人类的起源和发展

38 一 人类的起源 1. 类人猿 5500 万年前灵长类中出现类人猿 从树上下来, 在地上获取食物 腊玛猿 : 最早在印度发现化石, 其后在巴基斯坦 肯尼亚 土耳其 中国云南均发现化石, 现已灭绝 ( 万年 ) 它是人科的最早祖先, 但普遍认为其不是现代人类的直接祖先

39 南方古猿 : 主要在非洲南部和东部 迄今为止, 发现了数百个个体的骨 骼化石, 生活在 万年前 比较强壮的 ( 粗壮南猿 ) 已灭绝, 而瘦小灵便的 ( 非洲南猿 ) 则进化成人 大脑容量 毫升 " 露西,Lucy" 化石, 320 万年 ( 埃塞俄比亚,1974 年 ) 阿尔迪 化石,440 万年 ( 埃塞俄比亚, 1992 年,2009 年复原 )

40 2. 人属的进化 240 万年前, 南猿中进化产生了人属 (homo) 突出特点是脑容量增大, 不仅能使用工具, 还能制造工具 能人 : 万年前 能制造工具 ; 大脑容量达 700 毫升 ; 有语言交流 根据化石推断只在非洲生活过, 所以人类起源于非洲, 而不是亚洲或欧洲 直立人 : 万年前 虽然保留一些南猿特征, 但与现代人类相似 ; 大脑容量达 1000 毫升 ; 能够制造比较先进的工具并能使用火 我国北京猿人 蓝田猿人和元谋猿人都属于直立人 最早的直立人产生于非洲, 是由能人直接进化而来, 然后迁徙到欧亚大陆

41 元谋猿人

42 智人 : 人科中唯一现实生存的物种 5-30 万年前, 分为早期智人和晚期智人 形态上与现代人完全相同的属于晚期智人, 可以追溯到 5 万年前, 如中国的山顶洞人 早期智人外形介于直立人和现代人, 4-20 年, 如尼安德特人 (Neanderthal)( 德国尼安德特河谷 ) 山顶洞人

43 哺乳动物纲 Class Mammalia 灵长目 Order Primates 人属超科 Superfamily Hominoidea 类人猿 腊玛猿 5500 万年 1400 万年 长臂猿科 Hylobatidae 长臂猿 Hylobates 猩猩 Pongo 大猿科 Pongidae 大猩猩 Gorilla 黑猩猩 Pan 人科 Hominidae 人属 Homo 南猿 能人直立人 智人种 Homo sapiens 440 万年 240 万年 50 万年 30 万年 晚期智人 5 万年

44 二 人类的进化 人类是多态复合种 蒙古人 (Mongoloids) 高加索人 (Caucasoids) 黑人或尼格罗人 (Negroids) 澳洲人 (Australian) 美洲印第安人 (American Indian) 亚洲欧洲非洲大洋洲美洲

45 人类进化学说 神创论 亚洲起源论 大海起源论 非洲多源论 非洲单源论 外星起源论 非洲多源论 : 直立人从非洲迁徙到欧亚大陆, 然后在欧 亚 非洲分别进化为智人 非洲单源论 : 发生二次迁徙, 一次是直立人的迁徙, 另一次是在非洲的直立人进化为智人, 然后有第二次迁徙到欧亚大陆 (10 万年前 )

46 缅甸灵长类新化石支持类人猿亚洲起源说 PNAS 2012 ; published ahead of print June 4, 2012

47 Afrasia( 缅甸 ) 比 Afrotarsius( 利比亚 ) 更为原始 原始类人猿从亚洲起源, 并于 万年前迁移到非洲大陆

48 三 人类的本质和属性 人类创造文化的基本条件 : 容量大 皮层发达的大脑 ; 灵巧的双手, 能够制造和使用工具 ; 群居习性 信息交流产生了语言 ; 分工合作的社会关系 ; 复杂的社会组织

49 三 人类的本质和属性 自然属性 ( 自然人 ) 社会属性 ( 社会人 ) 具有脊椎动物的某些原始特征 ; 保留树栖生活的躯体结构特征 ; 体毛退化和独特的性行为 ; 镶嵌进化和幼态延续

50 四 科学技术萌芽 2. 火的使用人类 50 万年前学会用火 火可以取暖 去湿 熟食 照明 由于天然火种不好保存, 后来发明了摩擦生火 ( 石器撞击, 钻木取火 ) 就世界性的解放作用而言, 摩擦生火还是超过了蒸汽机, 因为摩擦生火第一次使人支配了一种自然力, 从而最终把人同动物界分开 恩格斯

51 四 科学技术萌芽 1. 石器和弓箭人类在 260 万年以前已经学会使用石器 原始人 年前发明了较为复杂的工具 弓箭 新旧石器时代交替的时间 (1 万年前左右 ), 工具有了大的进步

52 3. 农业和畜牧业的产生 1 万年前出现了畜牧业和种植业 工具改革和人类智力的发展, 狩猎出现了剩余, 人类开始圈养和驯化野生动物, 并积累了饲养 育种 繁殖等知识, 产生了畜牧业 工具改革和人类智力的发展, 人类积累了水利 气象 天文等经验和知识, 由最初的 刀耕火种 发展到锄耕农业, 产生了种植业

53 4. 制陶技术和手工业的出现 制陶技术与火的使用联系在一起 ; 陶轮是人类最早的加工机械 ; 制陶业的发展促进了手工业的出现, 是人类社会的又一次大分工

54 5. 冶金技术的出现距今 年左右出现冶金技术 它表明石器时代的结束和金属时代的到来, 意味着原始社会的解体和奴隶社会的诞生

55 从猿到人的转变关键是劳动, 转变的转折点是人类祖先手和脚的分工, 手的发展是从劳动中制造工具开始的 由于劳动促成了手脚分工和语言的产生, 从而为认识 利用和改造自然, 也为科学技术的萌芽创造了条件 恩格思

56 世界人口变化 68 亿 450 万 10 亿 20 亿

57 四次现代外来物种入侵 日本虎杖 (Reynoutria japonica) 蚬 (Corbicula fluminalis) 帝王蟹 (Paralithodes camtschatica) 麝鼠 (Ondatra zibethicus) 人类 (Homo sapiens)???? 耶勒 热尤墨尔荷兰著名生物学家和古生物学家

58 本讲小结 宇宙的形成 大爆炸理论 : 宇宙是由一个致密炽热的奇点于 137 亿年前一次大爆炸后膨胀形成的 大小 : 宇宙有 1400 亿个星系 ( 如银河系 ); 银河系有 亿颗恒星 ( 如太阳 ); 生命的出现 宇宙有 100 万亿亿颗行星 ( 如地球 ) 和无数个卫星和小星体 地球 : 距太阳的距离是 1.5 亿公里 ; 地球的年龄是 46 亿年 ; 地球重量是 6 万亿亿吨 距今至少 38.5 亿年前有生命存在, 主要是单细胞蓝绿藻 ;20 亿年后出现细菌 ; 大量动物出现在寒武纪 (5.41~4.85 亿年 ); 爬行类和哺乳类出现较晚 ; 人类更晚 人类的起源和发展 5500 万年前从灵长类中出现类人猿 ; 人类的祖先来自类人猿中的南猿 ;240 万年前形成人属 ;5-30 万年形成智人种 距今 1 万年左右, 由于大脑容量加大, 工具进步, 手脚分工, 语言丰富, 生产出现了剩余, 科学技术产生萌芽, 产生了手工业, 形成了更加复杂多样的社会组织和分工

59 思考题 1. 什么是 多普勒效应? 哈勃发现 星系红移 指的是什么? 2. 请阐述人类科学技术萌芽产生的时间点和几个特征 讨论题 1. 你相信宇宙的产生是缘于 137 亿年前的一次大爆炸吗? 2. 你怎么看 寒武纪生命大爆发? 经典阅读 宇宙简史 史蒂芬 霍金中国言时出版社 2008

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