再看寒武纪碰撞性生命进化的机制

张维加，雷 扬，邹晓东

（北京大学 物理系；北京大学 元培计划委员会，北京 1 0 0 8 7 1）

再看寒武纪碰撞性生命进化的机制

张维加，雷 扬，邹晓东

（北京大学 物理系；北京大学 元培计划委员会，北京 1 0 0 8 7 1）

在深入研究寒武纪大爆发时期地球环境和生命过程后大胆提出假说：前寒武纪晚期，地球上尚无主大陆.5～6亿年前，某天体侧击在古赤道附近浅海，直接导致主大陆生长、起源.碰撞导致的裂隙与切向力造就了现代板块运动.碰撞的高温结束了大冰期，使生物信息得以交流，并启动基因调控机制、释放HSP90变异.然后，在新生臭氧层保护与有氧呼吸能量供应下，地球另一端幸存地下生命爆发，产生硬壳及复杂的新陈代谢以适应高温高压.

古生物节律；等比例加速膨胀；寒武纪天体撞击

1 引言

目前，寒武纪研究吸引了国内外众多学者.本研究目的为探索远古地球及其所在天体系统，探索寒武纪天体撞击事件及与之相关的一系列环境变化、地质变化、生命变化.

2 寒武碰撞性大陆起源与生命进化理论的提出与初步论证

2.1 碰撞性高温高压

当时整个地球处于巨大冰期，并且在今所有邻近大陆上找到了当时冰河的证据.这样的冰固条件下地球只有极原始的单细胞生命.

而斯坦福大学诺曼·斯利普模拟[2]表明大规模碰撞会造成全球性高温高压.寒武纪，第二次新元古代冰期M a r i n o a n(约6 0 0 M a)突然消融，洪水泛滥了地球[3]，这说明当时有一股巨大热量！这也正可解释古陆水体冲刷的痕迹.“寒武纪大爆发”中，后生动物迅速起源，构成了今日生物的几乎所有门类，而且主要以硬壳类为主.这也说明，当时确有巨大的高压，炽热的温度，且造就了一场进化[1].

而且这些硬壳类又有一个有趣的特征：早寒武世的三叶虫，一般头部巨大，尾部短小，如小遇仙寺虫；中寒武世的，头尾大小近乎相等如德氏虫；晚寒武世的头尾多半光滑圆浑.这说明早期三叶虫乃至其他所有寒武纪生物所承受压力大、温度高.而后，随着时间的推移，热量散失了，造成高压的碰撞也远去了.

2.2 碰撞性生命进化

碰撞会造成旧生命体系大灭绝.而撞击产生的大量有利条件又重新促成生命进化：

①碰撞消融冰川：冰期水体流通不畅，生物难以交流和交换遗传信息.但碰撞无疑会终结冰期，使进化信息交流得以进行.

②碰撞分解产生 O2：据 B e r n e r，1 9 8 9[13]：寒武纪之前大气中O2的水平是极低的.（条状铁沉积、水体溶解氧含量低、含铀砾岩的存在等也说明了这一点.）寒武纪时突增至现在7%-1 0%，最终达到现在水平.臭氧的增加也是巨变性的.而这种巨变性增加正好由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小组通过分析海底原始沉积物中碳和硫的同位素记录，计算出过去数亿年内大气中的氧含量.结果也发现，6亿年前的大气氧含量约为2 0%，与现在相近.[11]

有氧呼吸的效率是无氧呼吸的1 8倍，进化的能量就此产生！同时由于当时大气成分是氮气，产生的氢气除了大量通过氢冕逃逸外，将与氮气反应生成氨气，氨气溶于水成肥！

③碰撞产生臭氧层：寒武纪臭氧层突生[14].

④碰撞启动基因调控机制：调控基因负责控制所有其他基因的表达.已发现调控基因最早在形成伯吉斯页岩的5.3 5亿年前存在[4].

⑤碰撞启动热休克蛋白9 0（H S P 9 0）：H S P 9 0能积累很多突变.一旦环境条件骤变，所有D N A突变就表现出来，在很短时间内演化出形态各异的许多生物.且这些差异能遗传[5].

⑥碰撞造成双倍体发达：寒武纪天体碰撞事件会导致生命双倍体进一步发达，从而有性生殖能力得以普及，极大地加速生命进化：A.环境剧变可导致染色体加倍.震旦纪冰川碳酸岩层正说明了气候突变[6].B.碰撞必然会诱变造成菌落中单细胞生物的某些个体间细胞膜融合，这样就有一部分生物可以最终成为双倍体.

证据：A.张昀等1 9 9 5年：6亿年前进化产生了具有有性生殖方式的生物[7].B.寒武纪大爆发古生物绝大多数行有性生殖.

⑦碰撞导致快速有壳化的生物化学机理：A.新生命爆发，大量新生藻类发达，从而大量的磷被富集，为生命体的有壳化提供了原料准备；B.由于产生大量极易溶解于水的氨气，海水P H变为碱性，生物体很难把多余的生成物排除到体外，因而形成甲壳；C.高温高压促使生命进化出壳体，否则被淘汰.

⑧碰撞造成广泛大陆坡加速生命进化：大陆斜坡的产生为生物体提供了一个富有阳光的理想场所.

⑨碰撞高温加速分子进化：我把香农信息论引入[8]，导出自然选择学说的微观表达——有利基因变异是更真实地反映了客观世界的D N A记载，起到信息作用.要使信息增加1 b i t，则外界至少输入K T l n 2J的熵流.一个物种进化所需要的熵作为有效熵S有效，该物种利用摄取的熵流补充生命体产生的负熵的利用效率记为η.则有：S有效=S熵流×η

正是碰撞产生的高能环境致使S熵流增加，有氧呼吸致使η增加1 8倍，从而获得足够的有效熵以补充寒武纪进化产生的负熵!

还可以解决著名分子钟疑难.Wr a y计算出寒武纪早期分子进化速率为常速的6 5倍.这可解释为碰撞造成高温熵流加速分子进化.而D o o l i t t l e于1 9 9 6计算出前寒武纪分子进化速率低于常速也可用此解释.

幸存地下生命在新的天地里自由地爆发！

2.3 撞击位置在古赤道的原因以及稳定性的驱使导致其成为极地

寒武纪晚期，推算出古澳洲当时应位于赤道附近，可是在那里发现了冰河的遗迹！前寒武纪冰川相关的岩石经古地磁测试，古纬度多为中、低纬[21].所以我猜想，当时的地球以今日赤道附近某一连线为轴自转：

证据：据发现，古南极洲在冈瓦纳大陆中位于古“赤道”附近.也可见当时撞击剧烈，致使地球改变了自转轴.大碰撞后，撞击所在两端板块会逐渐成为自转轴的两端，可以用转动模型的能量最低原理和平行轴定理说明.

这也恰好可解释新元古代冰期数值模拟结果[12].

图1 碰撞过程图示

3 结语与展望

寒武纪存在天体撞击事件，导致大陆主体起源、生命进化.

〔1〕刘羽.寒武纪大爆发之前生命和地球环境演变过程新解[J].自然科学进展，2005（6）：39.

〔2〕保罗·戴维斯.第五项奇迹——生命起源之探索[M].南京：译林出版社，2004.

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

〔4〕陆放.基因变异与生命大爆发[J].飞碟探索，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〕我科学家发现生命性别起源于6亿年前[J].科学中国人，1996(10)：61-62.

〔8〕袁聪，等.Shannon信息论及其新发展[J].通信技术，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〕张启锐，等.从“全球冰川”到“雪球假说”——关于新元古代冰川事件的最新研究[J].高校地质学报，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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A

1673-260X（2010）10-0020-02