地球演化之化石的书写——物种变迁

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从零上五十度到全球冰封，30亿年来生命坚持了下来。这种环境，这些条件，竟孕育了生命世界。这大概才是地球演化最神奇之处。

第一个生命来自一连串的化学反应，这是1953年米勒在实验室里似乎证实的一点。但始祖的故事或许没有生物课本描述的那么简单，因为早期生命的演化过程如此漫长，在实验室里简单的重复是非常困难的事情，所以，氨基酸如何跨入生命之门，还是一个悬而未决的问题。

相比于之后的长期蛰伏，生命诞生的确实不晚，地球上最早的岩石是发现在加拿大和格陵兰Acasta片麻岩，距今有约40亿年。而根据澳大利亚西部的一些菌类丝状体残片化石证明，在35亿年前，生命就存在了，距地球稳定下来不过才过了几亿年。不过，依据生物化学证据，38亿年前生命或许就已经开始改造环境了。如果此证据可信，那生命的诞生确实相当古老，甚至于伴随着地球上最古老的岩石其后出现。

在生命诞生之后生物就开始以龟速进行演化了，作为地球上最古老的生命，原核生物在地球上孤单的生活了15亿年。而从真核生物诞生到寒武纪大爆发，又过去了15亿年。并不是说这30亿年原始生命都光晒太阳不进化，他们时时刻刻都在与完全不适宜生命的年轻地球作对，并奇迹般地走到了今天，彻底改造了地球。

1：原始大气与弱阳
地球焦躁不安的火山运动在生命诞生后几亿年就有所收敛，但是此时的大气却是由二氧化碳和甲烷等还原性气体组成。
现代大气中微不足道的二氧化碳变化就足以令人类感到惊恐，但在而25亿年前，当地球上充满二氧化碳的时候，呈现的是这样一个奇怪的景象：太阳的亮度被大大削弱，但由于二氧化碳的温室保温作用，虽然太阳显得羸弱不堪，但地球的平均温度却比现在高50度，这种现在完全无法想象的因果确实长时间存在于我们的星球

这种类似蒸笼的环境早期生命承受了10亿年，但是生命以不可思议的力量愚公移山：他们不但克服了环境，而且通过大氧化事件，彻底结束了弱阳。（详见巴甫洛夫大神的答案）

2.两次冰期
蒸笼般的弱阳结束，地球马上报以两次冰期，十几亿年间，冰川两次冰封了赤道。
第一次大冰期看来是生物自己做的，，谁让你们产生这么多氧气那？
新元古代大冰期，又称休伦大冰期（Huronian），出现于24亿年前到21亿年前。由于主要冰盖证据在休伦湖北岸被发现而命名。这可能是地球上最严重最漫长的寒冷期。其成因可能是大氧化事件，大气层中急剧增加的氧气破坏了原始大气中的温室气体所致。
第二次大冰期，也被称为“雪球地球”
前寒武纪大冰期，又称成冰纪大冰期（Cryogenian），出现于新元古代成冰纪，从8.5亿年前到6.3亿年前。这是十亿年来地球最严重的寒冷期，极地冰盖扩展到赤道。火山喷发的二氧化碳因地球生物不能光合作用而逐步累积，最终形成的温室效应使得地球走出冰封。

生命以巧合开始，并以我们难以想象的韧性，挺过了地球年轻时的30亿年。并彻底改变了地球，迎来了自己的时代。生命的演化才是最不可思议的事。
我们习惯了从化石中寻找地球历史的答案，然而其实这也是一个神奇所在：地球把看似不可能保存下来的小生命，用一种叫特异埋藏的时间胶囊，再奉送给我们观看。
但是精美的化石标本到底有多难得呐？实验埋葬学( Experimental Taphonomy)是脑洞大开的埋藏学家为计算生物保存为化石的可能性的实验，他们发现：
虾类在8周之内会腐烂殆尽，而如果有微生物参与，或者经过一定距离的搬运，生物的腐烂和破坏速度就更惊人了。
虾是一种由外骨骼的动物，可以想象，没有外骨骼的生物，比如蠕虫一类，腐烂的时间就更快了。至于更难保存的内部结构：肠道，神经，附肢，腮等等，就跟不要想了。
所以我们看到的绝大部分化石，都是没有血肉的骨骼（而且是很硬的骨骼）。通过这些标本，我们能获取的生物学信息少的可怜。


但是大自然总会给我们惊喜：特异埋藏（Lagerstatte）是德语词“富矿”的意思，用来指那些能够保存”特殊的“(一般是带有软躯体的)生物化石的产地。如果说一般的化石留下的是地球编年史的只言片语，那特异埋藏简直是一整章一整章的保存。
不但能保存附肢：

消化道.......

蠕虫的纤毛........

甚至还有神经锁！！！亲们！神经！.........

这就是我们为什么把特异埋藏称为“富矿”，特异埋藏产地虽然全球都没有几个，但却承担起了百分之九十多的信息量，如果没有这些标本，我们不会知道节肢动物的分异、不会知道世界上还有奇虾和始祖鸟、甚至不会知道我们脊椎动物的祖先从何而来......


鱼的腮丝在死亡4小时后就会腐烂；神经细胞在死亡当天就难以观察......但他们都奇迹般的保存了下来，谁能想到，自然悄悄地把它的作品都存了档，时隔几亿年，将生物最细微的美丽，再交给我们欣赏。

特异埋藏这么神奇，总该有一个理由！
特异埋藏的保存自然需要怎样的天时地利那？我么可能很自然的想到：在缺少氧气的情况下可以减缓腐烂，水流弱的地方生物散架慢！但事实还要让实验埋葬学告诉我们：
在不同生物腐烂过程中氧的作用不尽相同，如虾类的腐烂实验结果表明有氧和无氧条件下腐烂速率没有什么差别。且传统的观点认为生物化石的破碎程度以及脱节程度反映环境的能量变化，但从实验结果来看, 不完全如此。
可见特异埋藏并不是把生物安安静静的放在无氧环境就能形成的，这里与我们制作标本的原理类似：生物结构本身容易损坏，既然我们不能阻止腐烂，就用难以腐烂的材料替代它。这就是软躯体矿化。自然在最短的时间内，用无机矿物（一般有黄铁矿，磷酸盐）替代了生物本身的成分，使生物得以免于损坏。这个速度有多快呐？巴西白垩纪的Santana 化石库产保存精美的鱼类化石, 其中鱼的鳃丝、肌肉等都保存相当完好，实验证明死亡四个小时后鳃丝就会消失，那么就赶在这四个小时内将动物矿化。也就是说，一个生物的软躯体能否保存为化石，在他死后几小时就已决定了 （那些想保存为有科研意义化石的知友们可要想好了）

多少生命走过却没有留下痕迹，有多少生命只是留下了谜一般的躯壳，但却有些幸运儿侥幸得以沉睡几亿年的光阴，复活一般的，完整的与我们相见。自然安排的这次会面，不得不说有点出人意料的惊喜。

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再补个~生物演化中的几个好玩的现象
因为答主是个地质狗，对演化实在只是看课本时顺便看的一知半解，所以欢迎各位真正演化的大神指出谬误

1.各式各样的演化方式：
趋同演化，生物大分类上差异甚大的如鱼类，爬行类与哺乳类为了适应相同的海洋环境演化出了相同的构造，算是殊途同归，认祖归宗吧。可惜这三类海洋游泳动物没有在海洋中碰过面。

有趋同，自然就有趋异演化，同一基本类型的构造在后代的辐射过程中，为了抢占更多的生存环境而进化出了迥乎不同的功能。用处各异的前肢（啊竟然还有蹄子）都是由以祖先基本类型演变而来，而实际呈现的样式和承担的功能则各不相同。

2.差异惊人的演化速度
达尔文曾略带执着的支持生物的均变，然而现实却展现出了生物在演化速度上的巨大差异。
䗴类（李四光先生赐名）是一类原生动物，在其早石炭纪晚期诞生后仅仅一两个百万年后，就已经有了成百上千个种存在于全球各地的海洋中，称为石炭二叠纪的标准动物。但这种明星动物又很快在古生代末灭绝了，可以说是其兴也勃焉，其亡也忽焉

寒武纪中晚期两千万年间的三叶虫动物群演化，密密麻麻的化石带，每一个带都有少则十几多则几十的独特三叶虫物种。而且这还仅限于华北与华南两个国内的研究区。
可见在演化过程中有的生物就是极快的推陈出新，在很短的时间内就会发生生物群的更新换代，到处抢夺标准化石的桂冠。但有的动物偏觉得，演化这么复杂，我不演化好了
比如下面这位：舌形贝属，五亿年前的样子和现在的样子从壳体外形到内部结构基本不变，，所以演化速度也是如此神奇，有的动物急如星火，而有的动物则愿意以亿年为单位独守空城

自然喜欢跟自以为聪明的裸猿玩点猜谜游戏，演化出了许多超乎想象的生物专门刁难古生物学家，下面说一个怪物塔利（Tully Monster）的故事。

上世纪五十年代，化石爱好者塔利在芝加哥马荣溪（此套地层化石产于结核之中）石炭纪地层中发现了一个诡异的动物化石（塔利手持的长荚状生物）
光看塔利手中的标本我也是看不懂的，古生物学家Eugene Richardson为这种动物做了复原

这个生物有一对长柄眼，剪刀状的长触手组成，这种诡异的结构不同于任何现生动物，只好被丢进了“蠕虫”这个垃圾桶。
是蠕虫，软体动物，还是，，，塔里怪物悬而未决六十年后，2016年，研究人员在塔利的表面发现了一种色素残余，这种色素竟然只有脊椎动物才具有！据此推断，塔利可能是一种奇怪的鳗鱼类动物（我还是不相信鳗鱼有这样的嘴）

这样一种奇怪的动物，竟然和咱们脊椎动物家族是一家人。这肯定是发现“塔利”的塔利和最初的研究者所想象不到的。
我们无法想象自然会创造怎样奇怪的生物，古生物学家很多时候能做的，只能是知道谜底时的大悟与顿足。

地球上看似不相干的两件事之间可以有如此紧密的联系：青藏高原的隆起居然促进了南北极大陆冰架的形成 和某些冰河时代的诞生
当喜马拉雅抬升后 当地的大气环流被改变 季风环流逐渐形成 降水逐渐增加 导致隆起岩层的风化侵蚀速率加快，所发生的风化反应过程可简化如下：
CaSiO3 CO2=CaCO3 SiO2

这一反应加快导致二氧化碳浓度下降 这会降低全球气温 促进大陆冰架 包括青藏高原上冰川的形成 而冰川活动又会促进侵蚀风化作用 这样便形成了一个正反馈机制 当然也存在调控的负反馈机制 这里就不多说了。

另外 在800万年前左右 青藏高原的快速隆起极速改变着当地大气环流 大大加强了印度-亚洲季风系统 这一区域的降水也随之迅速增加 这一时期大量的磷元素也随着河川侵蚀作用的加快流入大洋 而磷元素是海洋植物生长的必需元素 从而使得植被固碳增加  二氧化碳浓度下降 这被认为促进了“上新世-更新世”冰期的形成

takemono

有了特异埋藏机制才能了解到地球历史上生命的演化特征