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4、用放射性元素追溯地球生命起源和人类起源

2024-03-26 10:54阅读:
放射性元素,也称为放射性核素,是指那些能够自发地从不稳定的原子核内部放出粒子或射线(如α射线、β射线、γ射线等),同时释放出能量,并最终衰变形成稳定的元素而停止放射的元素。放射性元素可以分为两大类:天然放射性元素和人工放射性元素。天然放射性元素在自然界中存在,如铀、钍和钾等。人工放射性元素则是通过人工方式,如核反应堆或粒子加速器产生。 放射性衰变是放射性元素自发地从不稳定状态转变为稳定状态的过程。衰变过程中可能释放出不同类型的射线:
α射线(Alpha rays):由两个质子和两个中子组成的氦原子核,带正电。例如,放射性铀元素衰变会伴随着α射线。
β射线(Beta rays):高速电子流,β衰变涉及原子核中的质子转变为中子(或反之)。例如:钾40的衰变方程为40K → 40Ca + e- + ν。
γ射线(Gamma rays):波长比X射线更短的电磁波,通常伴随α或β射线一起释放。
很多放射性物质是出自某元素的同位素。原子核中具有相同质子数但中子数不同的同一元素的不同核素互为同位素。例如,氢的三种同位素,氕不含中子,氘含1个中子和氚含2个中子,其中只有氚是放射性的。
地质学家和考古工作者常用放射性元素的衰变特性来测定地质和古董产生的年代,即量化放射性元素衰变减少值估算相关时间。瑞典生物学家林奈说过:“坚硬的岩石不是原始的,而是时间的女儿。”因为岩石、化石形成后,它所含的天然放射性同位素的衰变是时间的函数。当然,也不是所有的岩石、化石都能用放射性同位素来测定它们的绝对年龄,只有那些其半衰期(放射性元素有一半衰变了的时间)可以和化石年龄相比,而且现代的分析技术能够精确测定它们的含量或衰变相关元素比值的岩石、化石,才能应用放射性同位素方法来测定。一般来说,当放射性元素在衰变前含量稳定则可用含量测定年代,例如,14C在地球上的丰度为一万亿分之一(0.0000000001%),主要存在于大气层和地表矿藏中,如泥炭及其他有机物质等。 14C以0.158MeV能量进行β − 衰变,其半衰期只有5730年,所以不能测定很古老的岩石,因为该同位素在古老岩石中几乎衰变绝
迹。但它会在大气高层(低平流层及高对流层)中经宇宙射线和氮间的反应而不断产生,导致14 C在大气层及生物体中的丰度几乎守恒,随着生物体死亡后有规律地衰减,这就是放射性碳含量定生物化石年法的原理。此外,放射元素衰变后成为不同的稳定元素时,还可用前后物质之比值测定年代。例如铀-铅比值,:铀-238(^238U),放射性衰变后形成会稳定物质铅,其半衰期约为4.47亿年。当古老岩石中的铀-238:铅为分子比1:1时刻,可判定岩石生成有4.47亿年了,此后当铀-238再衰败一半,分子比达1:3时,该岩石年岁估计值就为9亿年左右了。
还要说明的是,铀-238 在衰变过程不简单,会产生一系列的中间放射性产物,但中间产物不稳定短时间内还会快速衰变成稳定铅的同位素。具体来说,铀-238 的衰变链包括多个步骤,其中一些中间产物如钍-234、镤-234 等还会进一步衰变。但最终铀-238 会衰变成为稳定的铅-206 或其他铅的同位素。这样,就可通过测量样品中铀-238 与最终形成的铅同位素的比例,地质学家可以确定久远的古地质年代。
综上所述,选择特定的放射性同位素进行地质年代测定,半衰期是一个非常重要的参数。加上检测手段,就可用于地质年代测定。一般测定要求放射性同位素通常具备以下特点: 1. 适当的半衰期:放射性同位素的半衰期应当与需要测定的地质时间尺度相匹配。例如,对于测定较年轻的岩石,可能选择半衰期较短的同位素,如钾-40(^40K),其半衰期约为1.25亿年。而对于更古老的岩石或矿物,可能选择半衰期较长的同位素,如铀-238(^238U),其半衰期约为4.47亿年。
2. 稳定的子体同位素:衰变产生的子体同位素应该是稳定的,不会继续衰变,这样才能确保随着时间的推移,子体同位素的数量能够准确反映原始母体同位素的衰变情况。
3. 在岩石和矿物中的化学行为:放射性同位素及其子体同位素在岩石和矿物中的化学行为应当相对简单,以便于在地质过程中保持封闭系统,即不与外界发生物质交换。这样可以确保衰变过程不受外界影响,从而得到准确的年代数据。
4. 足够的丰度:放射性同位素在岩石或矿物中应当有足够的丰度,以便能够被准确地测量。如果丰度太低,可能会导致测量误差增大。
放射性碳14在测定不太古老的生物化石年代有一定优势。所有碳同位素的原子都有6颗质子,但中子数各异,从2到16颗不等,从而形成了碳同位素系列。但碳只有两个自然存在的稳定同位素: 碳-12( 12 C)占地球上碳的98.93%,而碳-13( 13 C)则占剩余的1.07%。 生物体中 12 C同位素的比率更高,因为生物化学反应会选择性地消除 13 C。12C和13C之外的碳同位素都是放射性的,但只有碳-14( 14 C)是自然产生的放射性同位素,其它的均为合成且快速衰变。C14因半衰期只有几千万年,其定年法大约可测量年龄在4万年以下的含碳物质,太久远的化石因为衰变所剩太少,就很难精确测定到其含量了。 理论上,当生物活着的时候,它会不断地从空气中吸收含有碳-14的二氧化碳使生物体内含量稳定。但是,当生物死亡后,它就不再吸收新的碳-14了,而体内的碳-14会按照固定的半衰期慢慢减少。科学家们通过测量化石中剩余的碳-14含量,就可以推算出这个生物死亡的时间,也就是化石产生的的年代。
碳-14 的衰变反应式可以表示为:

C^{14} =N^{14} + β^{-}

反应式中,C^{14}表示碳-14 原子,N^{14}表示氮-14 原子,β^{-}表示β 粒子(电子)。衰变过程中,碳-14 原子会发射出一个β 粒子,并转变成氮-14 原子。需要注意的是,这只是一个简单的表示式,实际上碳-14 的衰变过程涉及到更复杂的核物理学原理。
有了上述的铺垫,我们就可以利用动植物化石找到一些地球生命起源、人类演化和迁移的线索了。
地球生命起源众说纷纭,但一致认为起源自海洋水中,那里地域广阔,易于收集各种物质,包括构成生命物质的原始材料。例如天外撞入者:1969年9月28日,科学家发现,坠落在澳大利亚麦启逊镇的一颗炭质陨石中就含有18种氨基酸,其中6种是构成生物的蛋白质分子所必须的。科学研究表明,一些有机分子如氨基酸、嘌呤、嘧啶等分子可以在星际尘埃的表面产生,这些有机分子可能由彗星或其陨石带到地球上,并在地球上演变为原始的生命。于是有人猜测,来自40亿年前坠入海洋的一颗或数颗彗星,彗星提供了地球生命诞生需要的原材料(他们将之谓'类生命生物').
当然生命也可能是地球自生:1953年美国青年学者米勒在实验室用充有甲烷(CH4),氨气(NH3),氢气(H2)和水(H2O)的密闭装置,以放电,加热来模拟原始地球的环境条件,合成了一些氨基酸,有机酸和尿素等物质,轰动了科学界。这个实验的结果更具说服力地表明,早期地球完全有能力孕育生命体,原始生命物质可以在没有生命的自然条件下产生出来。
不管是天外来物还是地球自生产生的有机大分子,都只是生命构成的材料,如何完整构成生命还有说法:除非生命直接来之外太空,不管是陨石带来的或是地球自生的简单有机物分子还需要聚合成复杂的大有机物分子,这些大分子进行自我复制,自我选择,进而通过分子的自我组织,并自我复制和变异,从而形成核酸和活性蛋白质,同时分隔结构同步产生,最后在基因的控制下的代谢反应,为基因的复制和蛋白质的合成提供能量,这样一个由生物膜包裹着的具有能自我复制的原始细胞,这才在地球上产生了生命。上述过程不是任何环境下都能发生的,但火山口和地下热泉有这样的温度和压力条件。第一,早期地球温度都很高,产生的最早生命形式,应该是一些能适应高温的生物,而热泉中,生物恰恰就是嗜热的微生物。第二,热泉的环境与早期的地球环境有很多类似之处,比如说它有高温,还有大量的还原性气体、一氧化碳、氢气、氨气,还有硫化氢等等。第三,在高温的热水环境的话,它是有利于小分子的有机化合物脱水,聚合成有机高分子,比如说现在我们用有机小分子氨基酸合成蛋白质的话,它就是在热水中,通过这个热聚合反应。
1967年美国学者布莱克,在黄石公园的约60度的热泉中发现了大量嗜热生物。1979年,美国的阿尔文(Alrin)号载人潜艇在东太平洋洋中脊的轴部约2610~1650米的海底熔岩上,发现了数十个冒着黑色和白色烟雾的烟囱,约350的含矿热液从直径约15厘米的烟囱中喷出,与周围海水混合后,很快产生沉淀变为“黑烟”。四周堆积着由黄铁矿、闪锌矿和黄铜矿组成的硫化物。这些被称为“黑烟囱”的柱子周围居住着与地面世界全然不同的密集的生物群落,包括古细菌、嗜热细菌、美丽的管状蠕虫、双壳类的蛤和贻贝、腹足纲的软体动物、爬来爬去的螃蟹一样的节肢动物等,以硫化氢和甲烷为食的自养细菌是它们食物链的源头所在。这让科学家几乎是不由自主地联想到地球形成不久的景象:岩浆溢流,地壳还像鸡蛋壳一样薄弱。生命就是就从这里起源,还是与“温暖的小池塘”之间存在交流,这些问题至今还没答案。
根据目前的地质和化石记录,最早的生命迹象被认为是类似于现代蓝藻的单细胞微生物。这些微生物的化石证据被发现在地球上最为古老的岩石中,特别是在一些称为叠层石(stromatolites)的结构中。
叠层石是由微生物群落,特别是蓝藻(也称为蓝绿藻或绿藻),通过层层沉积矿物质形成的。这些结构通常在浅水环境中形成,尤其是在营养丰富的湖泊和海洋中。蓝藻通过光合作用产生能量,并且能够固定大气中的氮,将空气中的二氧化碳分解出氧,正是如此,使得早期地球大气氧浓度不断提高,导致地球大气层环境越来越适合不同生命物种生存并进化,最后形成了现代的地球生态。
最早的叠层石化石发现于西澳大利亚的皮尔巴拉地区,这些化石的年龄约为35亿年。这些古老的生命迹象表明,生命在地球上的历史非常悠久,而且生命形式在地球历史的早期就已经相当复杂。
这些化石记录为我们提供了关于早期生命形式的重要线索,但同时也留下了许多未解之谜。例如,尽管我们知道蓝藻可能是地球上最早的生命形式之一,但我们对它们如何从简单的有机分子演化成复杂的细胞结构仍然知之甚少。科学家们继续研究这些古老的生命迹象,以期更好地理解生命在地球上的起源和演化。
根据一系列化石证据和线索可以判断:35亿年前单细胞生命出现在地球上,此后由于生物光合作用气球大气层成分改变,氧气含量增加,加上地球磁场和臭氧层形成,地球生物避免了漫长岁月的宇宙射线和紫外线的致命辐射得以生存和演化。大约在5亿4千万年前,单细胞生物向多细胞生物转化,生物种类和数量爆发性增加。约4亿2千万年前,首先是植物,接着是鱼类、两栖类动物开始由海洋转向陆地生活。2亿4千5百万年前,超大陆又一次分裂,由于频繁的火山爆发、地震等环境变化、许多低级生物灭绝,只有高级生物才能适应生存,开始出现爬行类动物。到株罗纪,由于气候温暖,许多恐龙开始大型化。6500万年前,统治地球一亿多年的恐龙突然灭绝。最普遍的说法,认为当时有一颗12公里直径的巨大陨石撞击地球美洲地区,使生存环境急剧变化。当时地球另一边的印度附近区域还有大型火山爆发,使恐龙遭受双重打击。恐龙灭绝后哺乳类动物占主导地位,逐渐适应进化、繁荣,随后还出现了人类祖先。
人类如何起源争论很多。1859年,英国生物学家C.R.达尔文出版《物种起源》一书,阐明了生物从低级到高级、从简单到复杂的发展规律。1871年,他又出版《人类的起源与性的选择》一书,列举许多证据说明人类是由已经灭绝的古猿演化而来的。
猿类的出现可追溯到地质学上的渐新世。现在所知的最早的古猿是1911年发现于埃及法雍的原上猿,其生存年代为3500~3000万年前。1973年美国学者D.C.约翰逊在埃塞俄比亚的阿法地区发现一膝关节化石。次年发现一具人科动物化石,年代距今约300万年前,全身骨骼保存达40%左右,是一个20岁左右之女性,约翰逊称之为“露西女士”,定名为南方古猿阿法种。现代科学家一般认为人类就是起源于南方古猿。其生存年代大约为370~100万年以前。南方古猿的体质特征和人接近,齿弓呈抛物线形,犬齿不突出,无齿隙;拇指可和其他四指对握,能使用天然工具,但不会制造工具;头骨枕大孔的位置接近颅底中央,骨盆比猿类宽,能直立行走;脑顶叶扩大,可能有原始的语言能力。南方猿人之后,因为制造和使用工具,双腿不断直立,大脑容量也不断增加,人类又经历了能人、直立人、早起智人和现代智人的演化阶段。
1972年在东非肯尼亚图尔卡纳湖东岸库彼弗拉发现了编号为KNM-ER1470号人的头骨,定年为290万年前。脑量约为775毫升。头骨无直立人那样明显突出的眉嵴,因此它在进化系统中的位置还有争议。在KNM-ER1470号人的层位稍高处,于1968年发现有旧石器,当时测定为261万年前,1975和1976年有人重新测定其年代分别为182万年和244万年前,后一年代与最初测定的年代较接近。 从1960年起,在坦桑尼亚奥杜瓦伊峡谷陆续发现一些人类化石。1964年定名为“能人”。其脑量约为 680毫升,手骨及足骨与现代人相似。在发现能人的层位发现不少砾石打制的工具,主要是砍砸器。此外还发现石块堆成的圆圈,推测是能人所建的简单住所。能人生活的时代距今180万年。从制造工具这一角度判断,这些能人才算真正的人类祖先。
直立人生存年代距今约170万年或150万年前至二、三十万年前。地质时代属早更新世晚期到中更新世。其脑容量为775~1400毫升。最早发现的直立人是1891年荷兰军医E.杜布瓦在爪哇中部特里尼尔附近找到的一个头盖骨及一枚牙齿,次年又在同一地层发现一个大腿骨及一枚臼齿。头骨很厚,眉嵴突出,颅骨低平,具有猿的特征,但腿骨似人,适于直立行走,所以当时定名为“直立猿人”。 直立人的化石在亚、非、欧三洲都有发现。在中国有北京人、蓝田人、元谋人。由此可见,这一时期,相关化石年代的确定证实了人类开始由非洲向世界各处迁移扩散了,最后形成现代人种布局。

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