不可逆结构——论自然和人类社会的进化（上卷）（58）

十二、寒武纪生物大爆发（2）

从地球诞生到寒武纪时期的几十亿年中，尽管早在30多亿年前生物就已经出现，但其进化却长期停滞在很低级的阶段，主要是是些低等的菌藻类植物。它们留下的化石包含的信息不多，而且保存这些化石的岩层又太多经过不同程度的变质，更使得地球的早期历史不易被了解，所以才被划入了“隐生宙”。科学家们就把寒武纪之前这一段将近40亿年漫长而缺少生命的时间称作“前寒武纪”，这是针对显生宙之前时期所使用的非正式名称。寒武纪始于5.42亿年前，它揭开了生物史的宏伟帷幕，标志着地球生命历史的新时代——“生物大爆发”。几乎是“同时”地、“突然”地在寒武纪地层中出现了门类众多的无脊椎动物化石，而在寒武纪之前更为古老的地层中长期以来却找不到动物化石，这是古生物学和地质学上的一大悬案，自达尔文以来就一直困扰着进化论等学术界。这场生物爆发事件前后共持续了约3000万年，地球上的生物几乎全都在寒武纪时出现了，数百万个新的物种一下涌现出来，地球呈现出一片生机盎然的景象。寒武纪动物群以具有坚硬外壳的、门类众多的海生无脊椎动物大量出现为其特点，它代表了占动物界90%的物种快速产生的过程，是生物史上的一次大发展；植物群则以藻类为主，还有一些微古植物。寒武纪的生物形态奇特，和地球上的现生生物极不相同。在此之前，地球经历了一次长达2.5亿年（8亿—5.5亿年前）的“雪球事件”，这次发生在新元古代严重的冰川导致地球上的海洋全部被冻结，仅仅在厚达2千米的冰层下存有少量因地热而融化的液态水。大气中的二氧化碳形成酸雨被岩石吸收，缺少温室气体，太阳的热能无法保留，南北两极的冰川逐渐向赤道位置延伸，冰川反射了阳光让地球变得更加寒冷。可能出现过的雪球事件也许是地球上发生的一次意外事件，它产生于很多偶然性的巧合。雪球事件对地球上生物的繁衍造成了致命的打击。在当时冰封大地的情况下，几乎所有的光合作用参与者都被严寒冻死了。生命在冰封中的延续有几种可能：深海地热口附近；采取类似孢子休眠的方式来度过冰封期；低纬度火山作用和阳光辐射可能会在白天融化部分冰，产生临时水洼；冰层之下，类似于“矿物质代谢”生态系统可以提供避风港；在冰盖下面会存在液态水坑。直到地球内部的热量堆积到一定程度，才以火山爆发释放温室气体这种方式，让地球重新回到适合生命繁衍的温度。在这样严酷环境的打击下，幸存者的生存能力自然会显著增强，抵抗外界环境变化的适应性大大提高。当地球表面冰雪开始消融时，这些长期处于压抑状态并顽强生存下来的生物必然形成了更强大的生命力。一旦环境出现了更为有利的情形时，物种的繁衍就可能会出现爆发式的井喷状态。

到了前寒武纪的隐生宙中期（15亿年前），微生物已经遍布地球上的空气、水和土壤中，它们几乎可以组合和分解所有构成现代生命的分子。从最早的有机分子原型到寒武纪的生物大爆发，生命的进化花费了超过30亿年的时间。它们慢慢构建出了一个包括异养细菌和自养细菌的生命系统，虽然形式上比较简单，但规模上已经非常庞大。细菌们将地球从一个到处都是火山岩浆、毫无生机的坚硬岩石板块，变成了一片充满生命迹象的沃土。地球已经不像邻近的星球，充满了二氧化碳混合物，它开始步入了生命创造的大循环。随着地球气候转暖，海平面上升，海洋藻类生长非常繁盛，它们能为动物提供大量的食物。海水中钙、磷等元素的增加，以及大气中氧含量的提高，造成海洋动物的骨骼化和充分地发育。这些海洋无脊椎动物以微小的海藻和有机质颗粒为食物，还没有能演化出在空气中生活的机能。因此，寒武纪还没有出现真正的陆生生物，大陆上缺乏生气，一片荒凉。

寒武纪的生物大爆发实际上是单细胞动物和植物的能量转换模式的一次创新，也是在能量转换效率和能力方面得到了大幅度的提高，而且是能量转换方式的一次大分工。新的物种的出現意味着新的物质和能量循环体系的出现，也是不可逆结构的一次成功的进化。寒武纪的生物大爆发是有很深厚物质基础的。有机物质经过漫长的进化后形成了更复杂的结构，在这些物质的基础上进一步诞生了种类繁多的生命形态，埃迪卡拉生物群的出现便是爆发前的征兆。也许因为当时的环境仍然较为恶劣，大量的生物群并没有足够的食物（能量）来源，从而导致物种进化没有迈出这一步，就像当初非洲直立人向亚欧大陆的迁移仅仅是人类走出非洲的一次预演。生物多样性大爆发的根本原因也许可以归功于有机分子构建方式的高度灵活性。因为有机分子的平行结构有别于核心结构，其灵活性、多样性要优于稳定性，因此生命形态丰富多彩，但显得极其脆弱，只有依靠不断地自我修复、复制或者变异来克服了这一弱点。可以说，生命体利用了它的灵活性和多样性弥补了它脆弱的一面。变异造成了生命形态的多样性，也形成了结构上从简单到复杂、种类上从稀少到繁多的完整的生物链条，这个体系将物质和能量从无机分子一直输送到各种复杂的生命形态中。每一种物质结构或生命形态都可以看作一种独特的能量存储方式，它们会为比自己更高级的形态提供能量来源，它们所携带的能量将通过某种特殊的方式释放出来。这种物质合成和分解的过程一直循环不已，能量在其中得到了传输。生物大爆发只是一种外在的表现形式，而这样一个规模宏大、结构缜密的物质和能量的循环体系则是其内在的本质。

生命体的构造是建立在分子极其精巧的连接之上。当无机分子开始通过电磁力的作用有序地结合在一起时，这种新型的分子就与无机分子分道扬镳了，它们的“生存模式”开始发生了变化。虽然无机分子的初始结合是随机的，没有明确的方向性，但如果相互作用的结果显示某些结合方式具有一定的优势，这些具有优势的结合方式便会形成了显著的趋势。当有机分子形成了一些稳定而牢固的结构后，有机分子的结构就脱离了原先无机分子独立而分散的状态，朝着复杂的、不可逆的、有序化的方向一去不复返。分子结构的演变体现了这种倾向性。当有机分子大量出现以后，它们开始聚集在一起，形成一种有边界的（类似细胞膜）不可逆结构，这些原始细胞需要更多的能量维持细胞有序的状态，其它有机分子就成为了它们捕食的对象。当地球环境的变化使得作为食物的有机分子逐渐减少时，能量转换便出现了中断，异养生物的生存就受到了威胁。此时，地球上可以利用的丰富资源是大气中的氢气、硫化氢、二氧化碳以及水，这些资源诱发了新的生命构造的出现，自养生物就是这些掌握了新的物质和能量转换技术的生命形态。它们利用太阳辐射这种无限的自然资源，通过光合作用分解无机物质得到自己所需要的碳化合物，从而推动了自养生物的大量繁殖。一个规模宏大的、全新的物质和能量的转换系统形成了。自养生物通过光合作用自我繁殖的过程中，释放出大量的氧气，氧气的不断增多危及到了自身的安全。于是，大量繁衍的自养生物以及它们呼出的氧气都成了丰富的、可以利用的自然资源。这些丰富的资源自然又会诱发新的生命结构的出现，在物质和能量的转换体系中创造出一种新的方式，动物正是运用这种新的转换技术的生命形态。动物（异养生物）与自养生物之间建立起了一个氧和碳的物质循环——动物的呼吸作用需要消耗氧气，产生二氧化碳；而自养生物的光合作用大量吸收二氧化碳，释放氧气。在这个大循环中，物质和能量的流动速度会逐步地加快，流量会增大，一种自我强化的过程形成了，从而造成了寒武纪生物的大爆发。

寒武纪出现的生物群主要是海洋生物，此时的生物的生存环境还离不开水。海洋生物的大爆发使得海洋的环境变得拥挤，大陆板块的运动也对它们的生存空间造成挤压，海洋生物从食物中获取能量的难度在逐步增加，就像氧气大污染所带来的生存压力一样。生存压力自然会促使生物寻找更丰富的可以利用的自然资源，而想要从新的物质中获取更多的能量必然需要进化出更为复杂的结构以及与之相适应的更先进的转换技术，这些新生事物象征着生命更强的生存能力。当海洋生物繁衍到一定的密集程度，空旷开阔的陆地所蕴藏的丰富资源必然会对它们构成一种巨大的诱惑。但是，此时所有的生物还没有为此做好准备。谁最先进化出能够适应陆地环境的生存能力，谁就能最先占领这个广袤的天地。

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