第一节 生命的起源
地球上存在着形形色色、种类繁多的生物。有人估计，植物有30多万种，动物有150多万种，微生物有10多万种。但是地球上还有不少地区，诸如严寒的极地和高山、热带的丛林、荒芜的沙漠、较深的海洋，其生物调查还很不全面。随着生物学的发展，逐年都有新种发现，每年植物能发现．5000个新种，动物能发现10000个新种及亚种。所以又有人认为，动、植物合计180万种的估计数字偏于保守，地球上现存的生物至少应有400—500万种。这么丰富多彩的生物是怎样起源的呢?关于这个问题，历史上出现过各种错误的解释，有主张一切生物来自神创的“神创论”；有认为生物是由某种“活力”的激发而产生于死物的“活力论”或“自生论”；有提倡“一切生命来自生命”，认为地球上的生命是宇宙空间其他天体飞来的“宇宙生命论”；还有坚持生物只能由同类生物产生的“生源论”等等。可是随着辩证唯物主义宇宙观的发展和自然科学的进步，实践和理论都已证明了这些观点的误谬，并对它们进行了批判。
恩格斯曾经提出：“生命的起源必然是通过化学的途径实现的。”我们已知道化学分无机化学和有机化学两种，生命是有机质，必然是通过有机化学实现的。目前，探索生命起源的科学家们通过生物学、古生物学、古生物化学、化学、物理学、地质学和天文学等方面的综合研究，证明了恩格斯这一预见的正确性。大量研究成果说明，生命是由无机物经历了漫长时间而发展产生的，自从生命在地球上出现了以后，又经历了几十亿年的时间，才由生命逐渐发展成为生物界。生物界发展的历史是与地球发展的历史密切相关、不可分割的。
宇宙大爆炸产生了宇宙后，银河系、太阳系、地球相继形成。当地球这个星体稳定后渐渐冷却，地表开始划分出了岩石圈、水圈和大气圈。那时大气圈中没有氧气，宇宙紫外线辐射是产生化学作用的主要能源，化学反应就在这样的条件下不断地进行着。由于缺氧，合成的有机分子不会遭受氧化的破坏，得以进化出具有生命现象的物质，最终产生了生命。生命的产生过程可以概括为四个阶段：
第一，原始海洋中的氮、氢、氨、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、氯化氢、甲烷和水等无机物，在紫外线、电离辐射、高温、高压等一定条件影响和作用下，形成了氨基酸、核苷酸及单糖等有机化合物。科学家们所做的模拟试验也表明，无机物在合适条件下能够变成有机物。
第二，氨基酸、核苷酸等有机物在原始海洋中聚合成复杂的有机物，如甘氨酸、蛋白质及核酸等，被称为“生物大分子”。
第三，许多生物大分子聚集、浓缩形成以蛋白质和核酸为基础的多分子体系，它既能从周围环境中吸取营养，又能将废物排出体系之外，这就构成原始的物质交换活动。
第四，在多分子体系的界膜内，蛋白质与核酸的长期作用，终于将物质交换活动演变成新陈代谢作用并能够进行自身繁殖，这是生命起源中最复杂的最有决定意义的阶段。技术改造构成的生命体，被称为“原生体”。
这种原生体的出现使地球上产生了生命，把地球的历史从化学进化阶段推向了生物进化阶段，对于生物界来说更是开天辟地的第一件大事，没有这件大事，就不可能有生物界。
但值得一提的是：有生命的原生体是一种非细胞的生命物质，有些类似于现代的病毒，它出现以后，随着地球的发展而逐步复杂化和完善化，演变成为具有较完备的生命特征的细胞，j到此时才产生了原核单细胞生物。最早的原核单细胞细菌化石发现是在距今32 I亿年前的地层中，那就是说非细胞生命物质出现的时间，还要远远地早于32亿年以前。
单细胞的出现，使生物界的进化从微生物阶段发展到了细胞进化阶段，这样，生物的演化过程又登上了一个新台阶，在此基础上演化就分成了两支，分别朝着植物和动物方向发展。32亿年以后，几百万种形态各异的、但均以细胞为基础单位的生物就充满在地壳的海、陆、空领域之中了。
单枪匹马闯天下——单细胞动物
当生命进化到真核细胞以后，便有了动物和植物之分。最早的动物叫原生动物，是最低等的一类动物，它的个体是由一个细胞构成的。尽管如此，“麻雀虽小却五脏俱全”，这是一个完整的生命活动体，拥有作为一个动物应具备的主要生活机能，如新陈代谢、刺激感应、运动和繁殖等，它的体内有了原始的分化，各具一定功能，形成了类器官。原生动物身体微小，一般在250微米以下，需要在显微镜下才能看到。本门动物分布广泛，既有绝灭的，也有生活在现代的；既可以生活在水里、土里，也可以生活在动、植物身体里。根据运动“器官”的有无，本门动物一般可以划分为鞭毛虫纲、纤毛虫纲、孢子虫’纲和肉足纲。让我们看看其中的几个代表性动物。
眼虫：身体呈梭形能分出前后来，前端有一根鞭毛，靠其搅动能在水中游泳，它最明显的特征是有一个能感光的眼点，故名眼虫。它有两种生活方式：一种是寻找泥里的有机物为食；另一种依靠自己体内的叶绿素，和植物一样可进行光合作用为自己制造食物。后一种生活方式表明了在某些环境下它是植物，这说明在原始最低等动物中，动、植物之间的界线还并不明显。
有孔虫：自我保护方面要比眼虫好，体内分泌黏液粘住沙粒，在体外形成一个硬壳。壳口伸出许多丝状的肉足，生物学上称为伪足，其形状是可以变化的，当触到一块食物，伪足就包围住送进“口”吃掉，伪足还能排出废物，使虫体移动。有孔虫通常有两种生殖方式，在发育过程中交替进行，即世代交替。无性生殖是由成熟的裂殖体向外放出大量的配子母体，配子母体成熟后又大量放出带鞭毛能游动的配子，两个配子形成合子就是有性生殖，合子再发育长大成为新的裂殖体。
有孔虫在地史时期中出现过几次繁盛期，尤其在白垩纪时出现了特殊种类(如能游的有孔虫)，成为地质学家们划分对比白垩纪海相地层的重要依据；白恶纪时有孔虫的数量也是极大的，甚至在白垩纪形成的岩石中都占有很高的比率，专家们管这种有大量生物参与形成的岩石叫生物礁。
纺缍虫：一种已经绝灭的动物，生活在大约100米深的热带或亚热带海底。它有钙质壳，壳体随着虫子的长大不断增多，并随着它的演化而不断增大，从发现的化石来看，最小的不足1毫米，而大者可达到20—30毫米。它最早出现在早石炭世晚期，早二迭世时极盛，不仅数量丰富且种类繁多，构造也变得复杂，但到了二迭纪末期就全部绝灭了。此类动物分布时间短，演化迅速，地理分布十分广泛，更因其体形小，在二迭纪地层划分上已成为十分重要的化石门类。
以上几种化石因体形微小，在化石界中被称为微体化石。遥想那时的年代，它们从细菌“手”中接过了生命的“接力棒”，经过漫长岁月“传”给了多细胞动物后仍不愿离去，又“护送”到了古生代，有的种类还一直“护送”到现代，似乎是害怕进化夭折，实际上，它们是一直在作鱼虾的食物。单枪匹马，当时还能横闯天下，可现在却寸步难行了。
单细胞的动物称之为原生动物，意思是指它们生来就具备各部分分化和必要的生活机能。生命进行到多细胞动物就称原生动物，那指的是卵细胞要经过胚胎发育变形阶段才能出生的动物。原生动物范围很广，它包括二胚层、三胚层、原口动物、后口动物等等。
团结有力量——多细胞动物
单枪匹马地闯天下，力量是单薄了一点，生命进化自然就向多细胞类型发展，而且从此以后都是多细胞动物。但在这个题目中我们只讲最简单的、最原始的多细胞动物，高级的将在以后提到。
最原始的多细胞动物是两胚层动物，即它们身体是由两层细胞组成的，一是表皮细胞层，二是襟细胞层(它位于体壁内面)，两层细胞之间填以胶状物质称中胶层。这类动物分为三个门，即海绵动物门、古杯动物门和腔肠动物门。下面简单介绍一下各门的特征及所属的化石代表。
海绵动物：从距今6亿年的寒武纪以前开始出现并一直延续到现代，它的细胞虽分化为二层，但无器官和组织。海绵体壁多，也为入水孔，体腔是空的，上端开口为出水口，水从人孔流进体内，海绵吸收水中有机质后再将水由出口排出体外。
海绵多为群体生活，彼此用胶质’连接，生活在海底，专家称为底栖生活。难怪从海里出来的海绵都是一块块的，用力一捏水都流了出来，放进水里又吸满了水。海绵体有骨骼支撑，按其大小分别叫骨针和骨丝，只有骨针才能形成化石，有的地层中可以形成几公分厚的海绵骨针灰岩，但总的来说海绵造岩的能力很弱，这与它体内不保存无机质(如硅、钙等元素)有关。
古杯动物：是一种绝灭了的海底动物，形状如同酒杯，其生活方式和新陈代谢作用基本与海绵类相同，但它是个体动物，一般生活在蓝绿藻当中，最合适的生长环境是在水深20～30米的海底。它从早寒武世开始出现，到了中寒武世就灭绝了。因它对生活环境要求很严，不能在海水浑浊的地方生长，故不用它作为划分对比地层的标准化石。
腔肠动物：尽管它也是两胚层动物，但要比前两门动物高等，即开始了神经细胞和原始肌肉细胞的分工并具消化腔，所以叫它腔肠动物。它的身体多为辐射对称，在消化腔口处有一圈或多圈触手。本门动物自寒武纪后期出现至现代，种类繁多，化石丰富，其现在动物代表有我们大家熟悉的海葵和水母，有人喜欢吃的海蜇皮，就是水母，一种大型的腔肠动物。
本门的主要化石是珊瑚和层孔虫，珊瑚将专门列题讲述，这里先说说层孔虫。
层孔虫：海底生活的群体动物，自寒武纪开始出现一直延续到白垩纪。它体中有钙质骨骼，群体的骨骼相连结成不规则的团块状、层状等。大的群体宽达2米、厚l米，小的直径不足l厘米。由于它有这样的不易分解腐烂的硬骨骼，故被称为造礁动物。层孔虫礁石化石代表着一种繁荣的海底动物生长环境，其化石丰富的地区，常能发现可供开采的石油。在我国广西、湖南、贵州发现的油田过程中，层孔虫在与已知油区的地层对比中发挥了很大的作用。
从以上三门的动物特征上我们可以看出，尽管它们都是二胚层动物，但在进化上也有先进和落后之分，’尤其是在胚胎发育中，海绵动物表现为小细胞内陷形成内层，大细胞留在外面形成外层细胞，这与其他多细胞动物胚胎发育恰好相反。以后出现的更高级的动物没有哪一类是由海绵动物门中分化出来的，说明这类动物在生物演化上是一个侧支，又称侧生动物。‘海绵动物不可能再进化了，古杯门已绝灭，那么向后传递生命进化的接力棒就落在腔肠动物门中．它传递的速度很快，在奥陶纪时就传给了三胚层动物，从那时开始，生命进化又进人了一个新的阶段。
节肢动物——三叶虫
三叶虫是一种2亿多年前就已绝灭了的动物，生活在古生代的海洋中，其外形颇似现代的虾和蝉，属节肢动物门，因种类繁多，特在门下单列成一纲。这种动物从纵向看可分头、胸、尾三段，横向看又可分左、中、右三份(中间是轴部，两边为侧叶)，故名“三叶虫”。该虫背上有背甲，其成分为磷酸钙和碳酸钙，质地坚硬，成为地史时期中最早大量形成化石的动物门类。身长一般在3~10厘米，但小者不足6毫米，最大可长75厘米，我国曾在湖南省永顺县发现了长27厘米、宽18厘米的三叶虫，学名叫“铲头虫”。
该虫类为雄雌异体，卵生，个体发育中要经过周期性的多次蜕壳，不同阶段脱落的壳体是研究个体发育的基本素材，它对了解三叶虫一些器官的发育和成长，探索三叶虫的演化，解决分类问题都具有重要意义。该虫头部及尾部变化较大，各种类型非常多。在我国品种繁多的砚台里，有一种叫“燕子石”的砚台，该种砚的砚池旁或砚盖上常有石化的无头“小燕子”张开翅膀、又着尾巴，其实这就是一种三叶虫的尾部化石叫“蝙蝠虫”，因其形象更像蝙蝠故起此名。因在中国古代蝙蝠是不祥之物，而这种砚台又是呈送皇帝的贡品，所以采用“燕子”这个吉祥的名字。
三叶虫纲，下分7个目，绝大部分的种属在世界的海相沉积岩(石灰岩)中都有发现，各国的专家对它进行研究，得出了几点共同的认识：它经常与海百合、珊瑚、腕足动物、头足动物等一起生活(共生)，在发现它化石的同时同地，也发现了上述几种动物的化石；从它的体形上判断，它适于爬行，是海底生活(底栖)的动物，它以原生动物、海绵、腔肠、腕足等动物的尸体，或海藻及其它细小的植物为食；三叶虫在进化的后期，由于海中出现了大量肉食动物(鹦鹉螺、原始鱼类等)直接威胁了它的生存，于是增大了尾甲，提高了游泳速度，同时头尾能够嵌合使整个身体蜷曲成球形，以保护柔软的腹部，并可迅速跌落或潜伏海底逃避敌人的进攻。
在古生代的第一个纪——寒武纪早期，三叶虫的7个目就发现了4个，种类数量也很丰富，因此古生物学家和生物学家都认为三叶虫的远祖早在寒武纪前就已存在，并在前寒武纪后期分化出了许多支系，但它们都没有坚固的硬壳，故没有保存下化石。寒武纪是该虫类发展的一个繁盛期，奥陶纪时，古老的种类绝灭了，新的种类兴起成为第二个繁盛期，从志留纪到二迭纪，由于肉食性动物大量繁盛，该虫类急剧衰退最终绝灭。
三叶虫存在时间短，演化的种类多，分布海域广，个体数量大，各属、目之间界线清楚并随年代依次出现，因此成为了寒武纪时期全球性可对比的标准化石。我国是世界上产该虫类最丰富的国家之一，研究时间早、程度深，仅寒武纪就划分出29个三叶虫生长带，为亚洲提供了标准地层剖面，并为世界性的生物地理区划分提供了重要的依据。
科学家提出动物起源及早期演化新谱系图
科学时报2006年5月9日报道5月5日出版的美国《科学》杂志发表了西北大学、中国地质大学教授舒德干与英国剑桥大学教授康威·莫里斯等人合作在早期动物起源演化研究上的又一突破性成果——《中国早寒武世的文德生物及地球早期双胚层动物的演化》。他们在地球动物界“仲春时代”发现的“春光虫”被认为是目前地球上已知最原始的一类真原生动物；结合分子生物学的最新成果，作者还提出了关于动物界起源及其早期演化的新谱系图，给地球动物界演化中一些最重大、最令人困惑的难题的破解带来了希望。‘
地球上的生命形式按照其细胞核的发育水平可划分为原核生物和真核生物，后者包括较低等的原生生物界和由它演化而来的植物界、真菌界和动物界。目前学术界所指的动物仅包括多细胞动物(即原生动物)，而不包括单细胞动物。一般认为，在原生动物起源以来所经历的无数变革事件中，有四大创新被公认为最具转折意义的里程碑事件：
1．真原生动物的起源；
2．两侧对称动物的起源；
3．后口动物的起源；
4．脊椎动物的起源。
对这四次重大创新事件的发生过程，包括分子生物学和发育生物学在内的现代生命科学曾提出过各种不同的猜测，但都无法进行直接的论证。然而长期以来，由于高信息量关键性化石发现和论证的艰难，使力求追寻实证记录的进化生物学一直面临着严峻挑战。
动物类群寻宗问祖的探索越往前走，所碰到的困难越大。尤其是作为动物界第一次起源、辐射事件，整个原生动物根底类群来龙去脉的探究更是难中之难，因为分子生物学告诉人们，那些低等原生动物是快速突变式地发生在寒武纪以前的较早时期，而目前古生物学所能提取到可靠的直接证据极为有限。
舒德干等的这篇论文的可贵之处在于，正当人们对前寒武纪真原生动物起源及其早期演化的各种模糊证据争论不休、难求实解之时，他们另辟新径，试图在观察寒武纪生命大爆发奥秘最佳科学窗口的早寒武世澄江化石库中探寻一些高信息度的软躯体构造化石，以求论证能连接单细胞原生生物与最原始真原生动物的演化过渡环节。
前寒武伊迪卡拉纪的“文德生物”是学术界争论十分激烈的一类奇特生物。以A·Seilachel·为代表的主流学派认为，文德生物群中的主体部分——“蕨叶”状宏观生物应属于原生生物界的某种特殊类群，代表着前寒武纪末期一次失败的生命演化试验；而且它们在前寒武纪完全绝灭了，与寒武纪开始的动物界演化主流没有直接的继承关系。舒德干与Conway Morris等人则提出：文德生物并不构成一个单谱系类群，而是既包括某些特殊的原生生物，也包含一些绝灭了的原始双胚层动物的复合体。保存软躯体构造细节的春光虫既保留“蕨叶”状文德生物的基本构型，又具有双胚层动物、尤其是栉水母类的一些特有性状，因而很可能代表着栉水母的一种祖先类型。此外，作者还同时报道了另一类双胚层动物——刺胞类的早寒武世代表八射珊瑚。这两种动物代表着整个动物界中除演化“侧枝”海绵类之外已知最原始的“真动物”类群。基于澄江化石库中大量双胚层动物、三胚层动物和四胚层动物类群的发现，文章首次提出了寒武纪生命大爆发时段整个动物界较为完整的谱系演化轮廓图。尽管如此，这一基于实际化石资料建立的假说虽然得到了分子生物学和发育生物学的支持，但仍然有待于今生物学和古生物学新发现的检验、补充和发展。