再看寒武紀(jì)碰撞性生命進化的機制

張維加，雷 揚，鄒曉東

（北京大學(xué) 物理系；北京大學(xué) 元培計劃委員會，北京 1 0 0 8 7 1）

再看寒武紀(jì)碰撞性生命進化的機制

張維加，雷 揚，鄒曉東

（北京大學(xué) 物理系；北京大學(xué) 元培計劃委員會，北京 1 0 0 8 7 1）

在深入研究寒武紀(jì)大爆發(fā)時期地球環(huán)境和生命過程后大膽提出假說：前寒武紀(jì)晚期，地球上尚無主大陸.5～6億年前，某天體側(cè)擊在古赤道附近淺海，直接導(dǎo)致主大陸生長、起源.碰撞導(dǎo)致的裂隙與切向力造就了現(xiàn)代板塊運動.碰撞的高溫結(jié)束了大冰期，使生物信息得以交流，并啟動基因調(diào)控機制、釋放HSP90變異.然后，在新生臭氧層保護與有氧呼吸能量供應(yīng)下，地球另一端幸存地下生命爆發(fā)，產(chǎn)生硬殼及復(fù)雜的新陳代謝以適應(yīng)高溫高壓.

古生物節(jié)律；等比例加速膨脹；寒武紀(jì)天體撞擊

1 引言

目前，寒武紀(jì)研究吸引了國內(nèi)外眾多學(xué)者.本研究目的為探索遠(yuǎn)古地球及其所在天體系統(tǒng)，探索寒武紀(jì)天體撞擊事件及與之相關(guān)的一系列環(huán)境變化、地質(zhì)變化、生命變化.

2 寒武碰撞性大陸起源與生命進化理論的提出與初步論證

2.1 碰撞性高溫高壓

當(dāng)時整個地球處于巨大冰期，并且在今所有鄰近大陸上找到了當(dāng)時冰河的證據(jù).這樣的冰固條件下地球只有極原始的單細(xì)胞生命.

而斯坦福大學(xué)諾曼·斯利普模擬[2]表明大規(guī)模碰撞會造成全球性高溫高壓.寒武紀(jì)，第二次新元古代冰期M a r i n o a n(約6 0 0 M a)突然消融，洪水泛濫了地球[3]，這說明當(dāng)時有一股巨大熱量！這也正可解釋古陸水體沖刷的痕跡.“寒武紀(jì)大爆發(fā)”中，后生動物迅速起源，構(gòu)成了今日生物的幾乎所有門類，而且主要以硬殼類為主.這也說明，當(dāng)時確有巨大的高壓，熾熱的溫度，且造就了一場進化[1].

而且這些硬殼類又有一個有趣的特征：早寒武世的三葉蟲，一般頭部巨大，尾部短小，如小遇仙寺蟲；中寒武世的，頭尾大小近乎相等如德氏蟲；晚寒武世的頭尾多半光滑圓渾.這說明早期三葉蟲乃至其他所有寒武紀(jì)生物所承受壓力大、溫度高.而后，隨著時間的推移，熱量散失了，造成高壓的碰撞也遠(yuǎn)去了.

2.2 碰撞性生命進化

碰撞會造成舊生命體系大滅絕.而撞擊產(chǎn)生的大量有利條件又重新促成生命進化：

①碰撞消融冰川：冰期水體流通不暢，生物難以交流和交換遺傳信息.但碰撞無疑會終結(jié)冰期，使進化信息交流得以進行.

②碰撞分解產(chǎn)生 O2：據(jù) B e r n e r，1 9 8 9[13]：寒武紀(jì)之前大氣中O2的水平是極低的.（條狀鐵沉積、水體溶解氧含量低、含鈾礫巖的存在等也說明了這一點.）寒武紀(jì)時突增至現(xiàn)在7%-1 0%，最終達到現(xiàn)在水平.臭氧的增加也是巨變性的.而這種巨變性增加正好由S u p e r-c o l l i s i o n的海水分解提供！

P a u lG.F a l k o w s k i小組通過分析海底原始沉積物中碳和硫的同位素記錄，計算出過去數(shù)億年內(nèi)大氣中的氧含量.結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，6億年前的大氣氧含量約為2 0%，與現(xiàn)在相近.[11]

有氧呼吸的效率是無氧呼吸的1 8倍，進化的能量就此產(chǎn)生！同時由于當(dāng)時大氣成分是氮氣，產(chǎn)生的氫氣除了大量通過氫冕逃逸外，將與氮氣反應(yīng)生成氨氣，氨氣溶于水成肥！

③碰撞產(chǎn)生臭氧層：寒武紀(jì)臭氧層突生[14].

④碰撞啟動基因調(diào)控機制：調(diào)控基因負(fù)責(zé)控制所有其他基因的表達.已發(fā)現(xiàn)調(diào)控基因最早在形成伯吉斯頁巖的5.3 5億年前存在[4].

⑤碰撞啟動熱休克蛋白9 0（H S P 9 0）：H S P 9 0能積累很多突變.一旦環(huán)境條件驟變，所有D N A突變就表現(xiàn)出來，在很短時間內(nèi)演化出形態(tài)各異的許多生物.且這些差異能遺傳[5].

⑥碰撞造成雙倍體發(fā)達：寒武紀(jì)天體碰撞事件會導(dǎo)致生命雙倍體進一步發(fā)達，從而有性生殖能力得以普及，極大地加速生命進化：A.環(huán)境劇變可導(dǎo)致染色體加倍.震旦紀(jì)冰川碳酸巖層正說明了氣候突變[6].B.碰撞必然會誘變造成菌落中單細(xì)胞生物的某些個體間細(xì)胞膜融合，這樣就有一部分生物可以最終成為雙倍體.

證據(jù)：A.張昀等1 9 9 5年：6億年前進化產(chǎn)生了具有有性生殖方式的生物[7].B.寒武紀(jì)大爆發(fā)古生物絕大多數(shù)行有性生殖.

⑦碰撞導(dǎo)致快速有殼化的生物化學(xué)機理：A.新生命爆發(fā)，大量新生藻類發(fā)達，從而大量的磷被富集，為生命體的有殼化提供了原料準(zhǔn)備；B.由于產(chǎn)生大量極易溶解于水的氨氣，海水P H變?yōu)閴A性，生物體很難把多余的生成物排除到體外，因而形成甲殼；C.高溫高壓促使生命進化出殼體，否則被淘汰.

⑧碰撞造成廣泛大陸坡加速生命進化：大陸斜坡的產(chǎn)生為生物體提供了一個富有陽光的理想場所.

⑨碰撞高溫加速分子進化：我把香農(nóng)信息論引入[8]，導(dǎo)出自然選擇學(xué)說的微觀表達——有利基因變異是更真實地反映了客觀世界的D N A記載，起到信息作用.要使信息增加1 b i t，則外界至少輸入K T l n 2J的熵流.一個物種進化所需要的熵作為有效熵S有效，該物種利用攝取的熵流補充生命體產(chǎn)生的負(fù)熵的利用效率記為η.則有：S有效=S熵流×η

正是碰撞產(chǎn)生的高能環(huán)境致使S熵流增加，有氧呼吸致使η增加1 8倍，從而獲得足夠的有效熵以補充寒武紀(jì)進化產(chǎn)生的負(fù)熵!

還可以解決著名分子鐘疑難.Wr a y計算出寒武紀(jì)早期分子進化速率為常速的6 5倍.這可解釋為碰撞造成高溫熵流加速分子進化.而D o o l i t t l e于1 9 9 6計算出前寒武紀(jì)分子進化速率低于常速也可用此解釋.

幸存地下生命在新的天地里自由地爆發(fā)！

2.3 撞擊位置在古赤道的原因以及穩(wěn)定性的驅(qū)使導(dǎo)致其成為極地

寒武紀(jì)晚期，推算出古澳洲當(dāng)時應(yīng)位于赤道附近，可是在那里發(fā)現(xiàn)了冰河的遺跡！前寒武紀(jì)冰川相關(guān)的巖石經(jīng)古地磁測試，古緯度多為中、低緯[21].所以我猜想，當(dāng)時的地球以今日赤道附近某一連線為軸自轉(zhuǎn)：

證據(jù)：據(jù)發(fā)現(xiàn)，古南極洲在岡瓦納大陸中位于古“赤道”附近.也可見當(dāng)時撞擊劇烈，致使地球改變了自轉(zhuǎn)軸.大碰撞后，撞擊所在兩端板塊會逐漸成為自轉(zhuǎn)軸的兩端，可以用轉(zhuǎn)動模型的能量最低原理和平行軸定理說明.

這也恰好可解釋新元古代冰期數(shù)值模擬結(jié)果[12].

圖1 碰撞過程圖示

3 結(jié)語與展望

寒武紀(jì)存在天體撞擊事件，導(dǎo)致大陸主體起源、生命進化.

〔1〕劉羽.寒武紀(jì)大爆發(fā)之前生命和地球環(huán)境演變過程新解[J].自然科學(xué)進展，2005（6）：39.

〔2〕保羅·戴維斯.第五項奇跡——生命起源之探索[M].南京：譯林出版社，2004.

〔3〕Kaufman A L.et al.Isotopes，ice ages，and terminal Proterozoic earth history [J].Science，1997，95：6600-6605.

〔4〕陸放.基因變異與生命大爆發(fā)[J].飛碟探索，1998（5）：44.

〔5〕Rutherford S L.etal.Hsp90 ascapacitorfor morphological evolution [J].Nature，1998，396(6709)：336-342.

〔6〕Hoffman PF.Comingsand goingsofglobal glaciation on aNeoproterozoictropicalplatform in Namibia[J].GSA Today，1998，8：1-9.

〔7〕我科學(xué)家發(fā)現(xiàn)生命性別起源于6億年前[J].科學(xué)中國人，1996(10)：61-62.

〔8〕袁聰，等.Shannon信息論及其新發(fā)展[J].通信技術(shù)，2002（10）：77-79.

〔9〕J.D.A.Piper.The Neoproterozoic Supercontinent:Rodinia or Palaeopangaea? [J].Earth and Planetary Science Letters 2000，(176)：131-146.

〔10〕Joseph G.Meert.A synopsis of events related to the assembly ofeastern Gondwana[J].Tectonophysics 2003，(362)：1–40

〔11〕Paul G.Falkowski.The Rise of Oxygen over the Past 205 Million Years and the Evolution ofLarge PlacentalMammals[J].Science .2005.9.30：2202-2204.

〔12〕張啟銳，等.從“全球冰川”到“雪球假說”——關(guān)于新元古代冰川事件的最新研究[J].高校地質(zhì)學(xué)報，2002（4）：110-118.

〔13〕Berner RA et al.A new mold for atmospheric oxygen overPhanerozoic time[J].American Journal of Science，1989，289：333-361.

〔14〕Iwasaka.Y.Earth Environment.Iwaba Press，1996，4.

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1673-260X（2010）10-0020-02