第3讲 探究宇宙与生命之谜的新征程.

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1 第3讲 探究宇宙与生命之谜的新征程

2 一、化学的发展与分子生物学 从某种意义上来说，炼金术构成了近代化学的起源。
英国科学家波义耳（ ）把元素定义为在化学反应中不能继续分解的要素，冲破了炼金术的“火，气，水，土”的四元素论。这是化学中的哥白尼革命。

3 道尔顿：化学原子论 1803年，英国化学家道尔顿（1766-1844）将希腊思辨的原子论改造成了化学原子论。
1.化学元素是由非常微小的、不可再分的物质粒子即原子组成。 2.原子是不可改变的。 3.化合物是由分子组成，而分子是由几种原子化合而成，是化合物的最小粒子。 4.同一元素的所有原子均相同，不同元素的原子不同，主要表现在重量的不同。 5.只有以整数比例的元素的原子相结合时，才会发生化合。 6.在化学反应中，原子仅仅是重新排列，而不会创生或消失。

4 原子论：化学中的开普勒式突破 1808年，道尔顿出版《化学哲学的新体系》。
戴维说，道尔顿在化学中的贡献，犹如开普勒在天文学中的贡献，因为他把零碎的化学知识系统化了。

5 气体化合体积定律 1808年，法国的盖-吕萨克（ ）提出，各种气体的在彼此起化学作用时常以简单的体积比相结合。这使他猜想，相同体积的不同气体所含原子数目可能都相同。 他原以为这是对道尔顿原子论的支持，没想到，道尔顿坚决反对这一设想。在道尔顿看来，不同元素的原子大小并不相同，同体积的不同气体的原子数不可能相等。

6 水：H2 O？ 比如，根据盖-吕萨克定律，2升氢同1升氧化合，产生2升水蒸气。
在道尔顿看来，这就意味着2个水粒子是由2个氢原子与1个氧原子组成的，那1个水粒子就是由1个氢原子与半个氧原子组成的了，显然参加反应的不可能是半个原子。

7 分子学说 1811年，意大利的阿伏伽德罗（1776~1856）提出了分子学说，能够很好地覆盖盖-吕萨克定律。
他认为，在同温同压下，气体元素及化合物或混合物在相同体积中包含相同数目的分子。原子是参加化学反应的最小质点，而分子是游离状态下单质或化合物能独立存在的最小质点。分子是具有一定特性的物质的最小组成单位。 分子由原子组成。单质的分子由相同元素的原子组成，化合物的分子由不同元素的原子组成。 比如，2升氢同1升氧生成2升水蒸气，是2分子氢同1分子氧化合生成2分子水，1个水分子由1个氢分子与半个氧分子构成。

8 阿伏加德罗

9 化学元素的关系 1789年，拉瓦锡列出了一张33个元素的元素表，把元素分为四类：能氧化和成酸的简单非金属物质，能氧化和成酸的简单金属物质，气态的简单物质，能成盐的简单土质。 19世纪初，贝齐里乌斯从他的电化学观点出发，把元素分为负电性、正电性和过渡元素三类。 1815年，英国的普劳特（1785~1850）发现，若以氢的原子量作为一个单位，那所有元素的原子量恰为氢原子量的整数倍。由此他提出一切元素都是由氢原子组成的假说。 但是，后来人们发现氯的原子量是35.45，所以这个假说未被人接受。

10 化学元素表的先驱 1829年，德国的德柏莱纳把15种元素分为5组： Li Na K Ca Sr Ba P As Sb S Se Te
Cl Br I 每一组的三个元素相似，中间元素的原子量等于前后两元素原子量的平均值。 1864年，德国的迈耶尔认为元素的性质是其原子量的函数，提出了包括29个元素的元素表。 1866年，英国的纽朗兹提出了“八音律”。他按原子量增加的次序来排列元素，发现第八个元素同第一个元素的性质相似，好象音乐里八音度的第八个音符一样。

11 门捷列夫（ ） 1869年，俄国化学家门捷列夫发表了他关于元素周期性质的研究，提出了元素性质与其原子量之间存在着周期性变化的规律，并给出了第一张元素周期表。 在《元素性质与原子量的关系》一文中提出了两个观点： 1.元素按照原子量的大小排列后，呈现出明显的周期性； 2.原子量的大小决定元素的特征。 另外，原子价的大小会出现周期性。

12 核外电子排布和元素周期系 元素周期表

13 预言新元素：经典化学革命的牛顿式综合 门捷列夫根据元素周期表预言了11种未知元素，后来陆续得到证实。
他预言在铝与铟之间的空位是未知元素亚铝的位置，它的相对原子质量是68，密度5.9~6。1875年，法国的勒科克-布瓦保德朗在比利牛斯锌矿中发现了镓，计算其密度为4.7。门捷列夫指出其错误，后来反复计算，果然是5.9~6。 1886年，瑞典的温克勒发现了Ge，正是门捷列夫预言的亚硅。 门捷列夫对所预言的9种元素的原子量作了修改，到1940年都被证明是正确的。而且量子力学通过对电子轨道能级的研究，成功地解释了元素周期律，这是揭开微观世界美妙旋律的先声。

14 有机化学的诞生 18世纪末，生物学界流行活力论。化学家柏采留斯接受了活力论，认为化学物质分为两类：视其是否来源于有生命的组织而分为无机物与有机物。由于有机物中含有生命力，无机化学的一些规律并不适用于有机化学。 1824年春天，柏采留斯的学生，德国的维勒（1800~1882）在斯德哥尔摩研究氰与氨水这两种无机物的作用时，竟得到两种有机物，一种是当时只能从植物中提取的草酸，另一种是从哺乳动物体中排出的尿素。他又花了4年时间，找到了人工合成尿素的方法。

15 从化学原子的“太阳系”到有机分子的“星系团”
在维勒的启发下，乙炔、乙烷、酒精、苯、脂肪等有机物人工合成成功。 恩格斯在1867年6月16日致马克思的信中说：“化学的进步的确是极其巨大的，C.肖莱马说，这种革命还每天都在进行，所以人们每天都可以期待新的变革。”

16 有机化学的发展 维勒的朋友李比希（1803~1873）酷爱化学，是农业化学的创始人。1832年，他们提出在苦杏仁油、安息香酸、安息香酰氯、安息香酰氨等化合物中，都包含一个共同的基——安息香基，在化学反应中保持不变。 李比希进一步指出，有机物由基组成，基是一系列化合物中稳定不变的组成部分。在无机化学中，基是简单的，在有机化学中，基是复杂的。 基团学说具有电化学二元论的局限性。

17 有机化学的发展 1839年，法国的杜马（1800~1884）提出了类型论，认为在有机化合物中存在着一定的类型，有机化合物中的氢被等量的氯，溴等元素取代后，类型保持不变，即决定分子基本性质的是分子的类型。 1843年，法国的热拉尔（1816~1856）提出了同系列的概念，认为有机化合物存在着许多系列，每一个系列都各有自己的代数组成式。而在同一系列中，两个化合物分子式之差总是CH2的整数倍。同系列的各化合物的化学性质相似。 1865年，凯库勒（1829~1896）提出了苯的环状结构式，并把原子的化合价解释为一个原子对另一部分原子在单位时间内撞击的次数。

18 凯库勒与苯环梦

19 细胞学说 最早提出细胞概念的是胡克，他在1665年用放大40~140倍的显微镜观察到了软木片上的细胞壁。
德国自然哲学家奥肯（1779~1851）指出：所有的有机物都是由小泡或细胞组成的。小泡是在原始海洋中由无机物演化而来。 德国植物学家施莱顿（1804~1881）在1839年指出：“在每个单独的细胞中都存在着生命的本质”。 动物学家施旺（1810~1882）说：“凡是有生命的东西都来自细胞”。 微尔和（1821~1902）认为，生物体是细胞组成的社会——细胞联邦。就个体发育而言，一切细胞都来自细胞。

20 生命来自何处？ 自然发生说认为生命是从无机物直接地，迅速地变成的，不需要通过亲代的遗传，不需要经历一个过程。
古代中国人认为腐肉生蛆，枯草化萤； 古印度人汗液与粪便可以产生虫类； 古代埃及人认为尼罗河的淤泥经过阳光的暴晒可以产生青蛙，蛇与鼠。

21 对自然发生论的挑战 首先向自然发生说提出挑战的是17世纪意大利医生雷第。他把肉放进封闭的瓶中，几天后肉并未腐烂生蛆。
他又把一块纱布盖在肉上，使苍蝇不能直接在肉上产卵，蛆就只在纱布上出现，而不可能在肉上出现。 以后的科学家证明，青蛙是由水里的卵通过蝌蚪发育而来的.

22 微生物能自然发生吗？ 荷兰的列文虎克（1632~1723）用显微镜在雨水，泥土甚至人的牙垢中发现了大量微生物。
在封闭容器里的肉虽然没有生蛆，但通过显微镜可以看到在短时间内可以产生许多微生物。 这些发现使人们认为各种生物是从微生物直接变成的，而微生物又是从其他无生物中直接形成的，有利地支持自然发生说。

23 微生物学家巴斯德 法国微生物学家巴斯德（1822~1895）1854年开始研究发酵问题，1858年开始研究生命自生问题。
他受达尔文缓慢进化论的启发，认为微生物不可能在短时期内由其他物质变成，微生物只能通过微生物的繁殖而产生，空气中可能有一种能产生微生物的胚种。

24 巴斯德的判决性实验 巴斯德起初做了如下实验：玻璃瓶内盛有极易腐败的液体，瓶口用棉花堵住，几天后溶液没有变质。棉花上有黑色的尘埃，如果溶液同尘埃接触，很快就会变质，说明尘埃中有胚种存在。 但是，普谢提出质疑：如果不让空气流入瓶内，那瓶内的生物是无法生成的，所以液体才没有变质。

25 巴斯德的判决性实验 随着争论的升级，法国科学院在1864年4月7日在巴黎大学举行辩论会。
巴斯德制造了各种形状的长颈瓶，放进煮沸过的肉汤，不封口，肉汤几天后都没有变质。巴斯德的解释是尘埃中的胚种经过弯曲的颈部时，都被沾留在管子的内壁上，不能同肉汤直接接触，所以肉汤没有变质。 如果把瓶子倾斜或用力摇晃几下，使肉汤同管壁上的尘埃相接触，肉汤就会变质。 他得出结论：“生命就是种子，种子就是生命。自然发生生物的学说绝对不能复兴了。”

26 生命来自外太空吗？ 生命永恒论认为：生物体虽然有生有死，但是生命本身却是永恒的，所以研究生命起源的问题是毫无意义的。
德国化学家李比希在1868年说：“我们只可以假定：生命正像物质自己那样古老，那样永恒，而关于生命起源的一切争端，在我看来已由这个简单的假定给解决了。” 如果地球最初没有生命，那么地球上的生命只能是从别的天体迁移而来的。

27 天外生命的传播 19世纪初法国的莫尼瓦提出陨石可能携带胚种在太空中旅行，开尔文在1871年又重新提出了这种观点。
瑞典化学家阿累尼乌斯（1859~1927）认为光压不仅是避免天体引力塌缩的力量，而且是生命胚种转移的动力。一个微小物体的直径小于0.0015厘米，则太阳辐射的压力就大于引力，就会被推离太阳。

28 对天外生命胚种的怀疑 阿累尼乌斯估计胚种在光压作用下，从火星飞到地球要84天，而从金星飞到地球则只要40天。胚种落向地球表面的速度很慢。
不少人怀疑阿累尼乌斯的观点，认为宇宙空间是很广阔的，胚种在星际间转移要经历很长时间，而星际空间的温度很低，没有氧气，胚种能经受这些考验而不死吗？ 恩格斯指出，胚种输入说需要两个前提：（1）蛋白质是永恒的；（2）生命的原始形态是永恒的。但这两个前提都不成立。

29 生命起源的实验探索 苏联生物化学家奥巴林经过长达30年时间的实验与理论探索，在《地球上生命的起源》（1957）中，提出了类似有机物团聚体的原始生命体系在地球的原始海洋中自发诞生的生命起源假说。 1953年，美国生物化学家米勒利用模拟闪电，从氨水，甲烷中合成了氨基酸等简单有机物。

30 生命起源的三个阶段 奥巴林认为，生命起源分为三个阶段：
第一阶段是原始碳氢化合物的发生。现在已经发现甲烷（CH4）存在于弥漫星云以及恒星，行星与卫星的大气层。 第二阶段是氨基酸的形成，并导致蛋白质的出现。紫外线和闪电对原始海洋的辐射起了关键作用，米勒的模拟实验支持了这个推测。 第三阶段是具有新陈代谢功能的蛋白质系统——团聚体形成。

31 团聚体实验

32 蛋白质的合成：生物化学的哥白尼革命 恩格斯指出：“生命是蛋白体的存在形式，这种存在方式实质上就是这些蛋白体的化学成分的不断的自我更新。”
蛋白质由20种不同的氨基酸组成，它一方面含有氨基（-NH2），另一方面含有羧基（-COOH）。

33 中国学者首次合成结晶牛胰岛素 1907年，德国化学家费歇尔合成了18个氨基酸的肽链。
1954年，金格尔和他的同事在剑桥测定了构成胰岛素分子两条肽链的51个氨基酸的排列顺序。 1965年，上海生物化学研究所的科学家首次合成结晶牛胰岛素。

34 核酸的发现 1869年，瑞士的米歇尔从病人绷带上取下来的脓细胞中，得到了一种不同于蛋白质的物质，称为“核素”。后来人们发现它有酸性，又称“核酸”。 19世纪末，美国的威尔逊认为染色体的主要成分是核素，所以核素是遗传物质。 1911年，俄裔美国科学家莱文发现核酸有核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）两种。1934年他又提出核酸由4种核苷酸组成，核苷酸由一个核糖（或一个脱氧核糖），一个磷酸和一个有机碱基分子组成。碱基有四种： 腺嘌呤（A），鸟嘌呤（G），胞嘧啶（C），胸腺嘧啶（T）。

35 肺炎双球菌的研究 肺炎双球菌有两种类型，一种有外膜，有传染性，另外一种没有外膜，没有传染性。
1928年，英国的格里菲斯发现有一种转化因子能使无膜型变成有膜型。 1944年，美国的艾弗里（1877~1955）通过10年的研究，发现这种转化因子就是DNA。但是，他的发现当时没有得到承认，人们还以为艾弗里提取的DNA不纯，还残留少量的蛋白质，而正是这一点点蛋白质造成了病菌的转化。

36 物理学的理性光芒照耀着生命混沌汤 德尔布吕克（1906~1981）原来是德国人，在哥廷根大学学习时，从天体物理学转向理论物理学，曾到哥本哈根向玻尔学习，是薛定谔的好友。 薛定谔在《生命是什么》中，采用量子论与信息论的观点，理解生命现象，把生物分子看成“非周期性晶体”。玻尔认为可用互补原理来分析物理学与生物学的关系，给他留下了深刻影响。

37 噬菌体的研究 德尔布吕克在柏林研究铀分裂时，就常同遗传学家讨论问题，使他的兴趣又转向生物学。1938年他到美国研究基因，创建了著名的噬菌体小组。 噬菌体构造简单，只有一个蛋白质组成的外壳，其中含有DNA，它比细菌小，繁殖又快，是研究的好材料。 他们发现，噬菌体能在细菌体内大量繁殖后代，但噬菌体并不需要钻入细菌体内，它只要把DNA注入到细菌体就行了。

38 噬菌体与DNA 这个实验雄辩地说明噬菌体的子代之所以象亲代，并不是因为子代获得了亲代的蛋白质，而是因为从亲代那儿获得了DNA，可见主管遗传的不是蛋白质，而是DNA。 噬菌体小组对DNA遗传物质概念的确立作出了重大的贡献，这个小组有20名成员先后获得诺贝尔奖金，成了分子生物学的摇篮。

39 碱基的配对 莱文根据粗糙的分析，得出核酸的4种碱基含量相同的结论，提出四核苷酸假说，认为核酸的化学结构是：含有4种不同碱基的4个核苷酸组成一个分子，这些分子再聚合为一个核酸大分子。因此，核酸与油脂，多糖一样是单调的分子。 奥地利的查哥夫在1948~1952年用比较先进的方法测出DNA中4种碱基不不是相等的，各种不同来源的DNA，其4种碱基也不相同。但是，又有一种规律： 在4种碱基中，腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）的总量相等，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）的总量相等。 查哥夫的发现，推翻了错误的四核苷酸说，直接导致了碱基配对原则。

40 澳森与克里克 美国科学家澳森（1928~）毕业于芝加哥大学动物系，后来成为噬菌体小组的成员。1951年在意大利接触到分子生物学发展的情况，决心从事分子生物学研究。随后来到英国卡文迪许实验室，进行蛋白质和多肽的结构分析工作，并结识了克里克。 克里克（1916~2004）原来在伦敦大学学习物理，后来转向生物学。他俩在一间办公室工作，都读过薛定谔的《生命是什么》，都决心解决DNA的分子结构问题。

41 威尔金斯与弗兰克林 威尔金斯毕业于剑桥大学物理系，后在薛定谔影响下，开始研究生物学。1951年他通过DNA的晶体结构分析，证明在一定的温度下，DNA呈螺旋形结构，并初步算出螺旋的直径与螺距。 弗兰克林（1920~1958）从1951年开始研究DNA分子的X射线衍射技术。她一开始就推测DNA分子呈螺旋形，有多股链，磷酸根集团在外侧，则碱基在螺旋的内侧。

42 DNA双螺旋结构的发现 澳森和克里克处理已经获得的数据，在1951年底提出了第一个三股链组成的螺旋结构模型，但后来发现，由于算少了DNA的含水量而设想的三股链是不对的。他们还被缪勒的相同碱基配对的设想所误导（A-A，T-T等）。 1952年7月，查哥夫访问剑桥，告诉克里克有关碱基的研究成果，克里克确立了碱基配对原则。

43 分子生物学的开普勒旋律 澳森根据染色体成对现象，推测DNA二链成对的可能性很大。
1953年，他们看到了威尔金斯拍的X射线衍射照片和弗兰克林精确的数据之后，终于提出了正确的DNA双螺旋结构。 1953年4月，他们在英国《自然》杂志上发表了一篇1000多字的短文，宣布了他们的模型。它宣告了分子生物学的诞生。 1962年，澳森，克里克和威尔金斯获得了诺贝尔医学与生理学奖。

44 遗传密码的发现 DNA由4种碱基组成，而蛋白质由20种氨基酸组成，4种碱基如何决定20种氨基酸的排列？
1944年，薛定谔在《生命是什么》中，提出了遗传密码的思想。他认为，莫尔斯电码只用了点与划两种符号，通过排列组合就可以产生几十种代码；特别是每一个组合用符号不超过4个，就可编码30种不同的代号。他相信基因编码也是如此.

45 天界的理性光辉揭开生命密码 1954年，美国天体物理学家伽莫夫认为DNA的4种碱基可能就是薛定谔所说的点与划，一种碱基对应一种氨基酸，显然是不够的；伽莫夫就设想两种碱基对应一种氨基酸，可是用4种碱基每两个排列在一起，只有16种组合，仍然不够用。 于是，他设想三种碱基决定一种氨基酸，其排列组合共64种，比氨基酸种类多出44种，他又设想有的氨基酸可以用几种碱基密码来重复排列。三联密码假说是伽莫夫业余从事生物学研究的成果。

46 克里克确立中心法则 DNA在细胞核内，而蛋白质的合成是在细胞质中进行。DNA是如何指导蛋白质合成的？
1959年，克里克提出了中心法则，有力地支持几乎被人遗忘的三联密码假说。 克里克认为DNA分子一方面自我复制产生新的DNA分子，另一方面又把遗传信息转录给信使RNA，把遗传信息从细胞核携带到细胞质，再在细胞质内决定蛋白质的合成。

47 中心法则：分子生物学的牛顿定律

48 遗传密码的破译 1961年，克里克与布伦纳用实验证明核酸密码的确是由三个核苷酸组成的。这年夏天，美国尼伦伯格研究小组合成了碱基鸟嘧啶（U），然后用三个鸟嘧啶合成了苯丙氨酸，确定了苯丙氨酸的密码是UUU。 以后，密码陆续被破译，1966年克里克排出了遗传密码表。

49 基因工程：信息革命引导生物学 对DNA进行重组，按照人类的某种愿望，剔除不好的基因，补充好的，再把重组的DNA植入适当的细胞中，让它表达出来，这就是基因工程。 90年代以来，人类基因组计划取得重要突破。

50 二、从大陆漂移到 板块学说

51 1.魏格纳的大陆漂移学说 1880年11月1日出生于柏林 先后在海德堡大学、因斯布鲁克大学、柏林大学学习 1905年获得天文学博士
1906年以气象学家的身份参加格陵兰岛的考察。 1911年出版《大气热力学》 —一个气象学家怎么会对地理学感兴趣呢？ Alfred Wegener,

52 ……突然，他惊奇地发现，大西洋两岸的轮廓竟然是如此的互相对应，尤其是巴西东端的直角突出部分，与非洲西岸呈直角凹进的几内亚湾非常吻合。

53 大陆难道发生过“漂移”？ 怎么会有如此的巧合呢？要是把它们拼合在一起，简直就像一块完整的大陆？
魏格纳的脑子里忽然闪过一个奇怪的念头：莫非非洲大陆与南美洲大陆曾经贴合在一起，也就是说，它们原是连接在一起的一整块原始大陆，它们之间没有大西洋，到后来才破裂、漂移而分开的。 这种大胆的想法，从此就一直困惑着、缠绕着这位学者，他决心一定要弄个水落石出。

54 这些仅是猜测…… 哲学家培根就曾经指出：非洲西部和南美东部海岸线的吻合，不可能是偶然的巧合，肯定有着某种原因。
19世纪中叶，地质学家斯尼德尔发现欧洲和北美煤层中的植物化石雷同，他认为，煤层形成时期的石炭纪，欧洲大陆和美洲大陆曾经连接为统一的大陆。 19世纪末，进化论的创立者达尔文的儿子、英国天文学家乔治·达尔文又认为，月球原本是地球上的一部分地壳脱离地球后演变成的，而在月球形成后，地球上的大陆块重新调整了位置，大陆便发生了漂移。

55 古生物化石的证据 舌羊齿植物化石：距今2亿多年前的二叠纪，它们的化石发现在英国、印度、中国、澳大利亚等地区。 澳大利亚舌羊齿化石

56 “你过来吧！” “太远了，我怎么游过去？”
中龙（Mesosaurus），二叠纪时期最古老的水生爬行类动物—它们的化石发现在巴西、南非

57 不是“陆桥” 魏格纳强调指出，对于一些大陆上古生物的分布，用大陆漂移说解释比用陆桥说更为确切。
比方说，舌羊齿植物化石在非洲、南美、澳大利亚和印度等地的石炭二叠纪地层中都有发现。而这些地区相距万里，所处气候带也不一样。因此，即使用陆桥把它们联系起来，仍然很难理解舌羊齿植物在同一时期的分布状况。 大陆漂移说则不仅认为这些大陆曾经连接，而且认为它们之间的距离上并不十分遥远。也就是说，它们在当时曾经汇聚在一起，所处气候带也比较相近。这样一来，舌羊齿植物化石的分布才得到圆满的解释。

58 “把撕碎的报纸再粘起来” 魏格纳想到，如果现在被大洋隔开的大陆从前果真是一个大陆的话，那么，在当时所形成的地层也一定像大陆轮廓一样可以拼接起来，同时，由这些地层褶皱所形成的褶皱山系也必定可以连接起来。 魏格纳首先考察了大西洋两岸的褶皱山系和地层。他发现，大西洋两岸的岩石、地层和褶皱构造确实像搭积木一样可以搭配起来。如巨大的非洲片麻岩高原和巴西的片麻岩高原遥相对应，二者所含的火成岩和沉积岩，以及褶皱延伸的方法也非常一致。 魏格纳对于这种地层和构造上彼此相接的现象，作了一个比喻。他说，这就好比一张被撕碎的报纸，如果按其毛边拼接起来，报纸上的印刷文字行列也恰好齐整切合，凭这一点，我们就得承认这两片报纸原来是连在一起的。

59 大陆就是这样漂移的？ 2.4亿年前 1.8亿年前                                                  600万年前 现在

60 并不看好的学说…… 1914年第一次世界大战爆发，魏格纳被征入德国军队，负伤住院后，构思他的学说，并在1915年写成《大陆和海洋的起源》，1920年出版，1922,1924年修订。 先后译成英、法、西、瑞典、俄、日、汉等文字 1926年在纽约召开“首届大陆漂移学说讨论会，14个主要发言人中5个赞同，2人有保留赞同，7人反对。

61 壮志未酬…… 为了收集美洲离开欧洲漂移的直接证据，1929年后，两次领导探险队赴格陵兰岛考察，但是，1930年11月1日，也正是他50生日那天，不幸在格陵兰冰原上遇难。 魏格纳（后排中）在考察船上

62 沉寂的时期 “定量不够，定性不当，我们所需要了解的，他什么也没有说明。”（英国地球物理学家杰弗里斯《地球：它的起源、历史和物理组成》1959） “一个漂亮的梦，一个伟大诗人的梦，”当人们试图拥抱它时，将发现“他得到的只是一堆泡沫和一缕青烟”；“一个门外汉把他掌握的事实从一个学科移植到另一个学科，显然不会获得正确的结果。” 关键：大陆漂移的动力机制是什么？ 魏格纳：大陆漂移，就像船在水中航行一样，不断的冲开地壳（地幔）前进。

63 2、深海地质学的重大发现 早在19世纪中叶为了铺设欧洲到美洲的海底电缆，开始了对海底地貌的探测，20世纪59年代，由于精密回声探测仪器（声纳）的使用，可以测到10000米的洋底，精度达到5千分之一。 1957年美国科学家Heezen公布了大西洋海底地形图，海底地貌的四大发现：洋中脊、深海沟、断错带、海底平顶山

64 “一颗不平静的心！”

65 大洋中脊、海沟

66 海底扩张

67 大陆漂移动力机制的发现！ 在不同的海区，海底扩张大致有两种情况，一种情况是扩张着的洋底同时把两侧大陆推开，大陆有如冻结在相邻的海底上，与海底一起向同一方向移动这样，随着新海底不断地生长和向两侧扩张，新生的大洋不断张开，两侧的大陆逐渐远离漂开。像大西洋这样的大洋，在海底扩张的作用下，不到两亿年就可以形成。所以，大西洋中脊和印度洋中脊的裂谷系，不但是制造海底的场所，实际上也是大陆漂移的发源地。 另一种情况是，当洋底扩张到达海沟处，便向下俯冲，重新返回到地幔中去。这时，洋底并不推动相邻大陆向两侧漂移。像太平洋这样古老的大洋，其洋底处在不断新生、扩张和潜没的过程中，只需两亿年左右，洋底就可以更新一次。

68 3、板块构造学说 1965年，英国学者威尔逊勾勒出了板块构造的最初轮廓，最先提出了“板块构造学说”。
威尔逊指出，在中脊与中脊、中脊与岛弧（海底），以及岛弧与岛弧之间都可以由转换断层连接起来，中脊、转换断层、岛弧——海沟系这三种构造活动带就好像没有端点，它们连绵不断地从一种活动带转换成另一种活动带，直到最后封住自己的端部。 这样，整个地球表层就被这种首层相连的活动带分割成若干巨大的板块。

69 1968年6月，法国地球物理学家勒皮雄把板块旋转运动的研究又向前推进了一步。
勒皮雄把全球板块概括为六大板块（1）欧亚板块、（2）非洲板块、（3）美洲板块、（4）印度洋板块、（5）南极洲板块和（6）太平洋板块。 大陆漂移、海底扩张、板块构造，这三个学说的诞生，标志着从魏格纳开始的地球科学的革命终于进入了一个新的历史时期。

70 板块构造

71 在这些板块下面有一层很厚的炽热流体，海洋中脊的裂谷就是这个被称为“软流层”的炽热流体不断对流上或的部位，也是板块的分界之一。

72 浮在软流层上在的板块，无论是大陆还是洋底，就像大海中随流漂移的船只一样，向各个方向移动，形成了多板块之间的互相碰撞或俯冲，引起了沧海桑田的海陆变迁。

73 “大陆漂移学说”新生 当两个板块相对撞击时，如果是海洋板块碰到大陆板块，就会插入大陆板块下面；如果相撞的两个都是大陆板块，那就会互相顶撞，发生强烈的挤压，使地层发生褶皱，崛起成为山脉，而这两个板块则通过火山岩浆活动和挤压作用，逐渐合并成一块。 随着地球的演化，有的板块合并在一起，有的板块则分裂开来，分裂以后又向相反方向漂移开去。 这就是大陆漂移学说的理论。 由于板块构造说已发展到全球规模，把大陆和海洋统一在同一系统之下一起探索，所以，它又被称为“新全球构造”理论。

74 喜马拉雅：我心中永远的梦幻！ 喜马拉雅山脉曾是印度板块和亚洲大陆之间的古地中海海底的沉积岩。6千万年至2千万年间由于印度板块向亚洲板块推进和挤压，至200万年前出现喜马拉雅山脉，直至今日。

75 三. 系统科学体系 美籍奥地利生物学家贝塔朗菲（ ）在1945年发表第一篇系统论论文《关于一般系统论》，1968年的著作《一般系统论的基础、发展和应用》影响最大。 美国犹太科学家维纳（ ）是控制论的创始人，1943年维纳与罗森勃吕特、毕格罗发表了最早关于控制论的论文《行为、目的和目的论》，1948年出版的《控制论（或关于在动物和机器中控制和通讯的科学）》，宣告了控制论这门科学的正式诞生。 美国数学家与工程师申农（1916~）在1948年发表《通信的数学理论》，奠定了信息论的理论体系。

76 系统自组织理论 比利时科学家普里高津（ ）在1945年最早提出“最小熵原理”，从 年，经过近20年的努力，最终得到了“耗散结构”的概念，著作有《从存在到演化》，《从混沌到有序》，《探索复杂性》等。 德国物理学家哈肯（1927-）早年从事激光理论研究，1969年第一次提出“协同学”概念，以后发表了大量协同学论文，主要协同学著作《协同学导论》（1977），《高等协同学》（1984），提出了“序变量”，“自组织系统”等概念。 德国生物化学家艾根（1927-）是“超循环”理论的创始人，从20世纪60年代开始对变异进化，遗传信息等问题深入研究，提出了生命体的自组织理论，著作《超循环论》。

77 非线性动力学 法国数学家雷内·托姆（ ），在1968年发表了突变理论方面的第一篇论文《生物学中的拓扑模型》，1972年出版了《结构稳定性与形态发生学》，标志着突变论的产生；1974年出版《形态发生的数学模型》。 1963年，气象学家洛伦兹发现大气动力学方程会出现非周期的混乱解，提出了洛伦兹吸引子概念。70年代，学者们发现了很多奇怪吸引子，统称为混沌；1978年，费根堡姆发现了混沌过程的普适无理常数——费根堡姆常数。 美国科学家曼特布罗特提出了分形理论，著作有《大自然的分形几何学》。

78 可能性空间 系统联系是普遍的，正如加拿大科学哲学家马里奥·本格指出的那样：“所有具体事物不是一个系统，就是某一个系统的部分。”
控制论与系统论的研究开始于可能性空间。比如，金刚石与石墨是碳的同素异构体，它们是碳在不同的地质条件下形成的两种矿物质，而且在一定的条件下互相转化。金刚石与石墨就代表着碳元素结晶演化的可能性空间的两种状态。 另外，尽管金刚石与石墨都是由碳原子这种共同的要素构成，但是由于分子结构不同，金刚石与石墨具有不同的物理功能与形态，并在不同的环境中形成。 我们将事物发展变化中面临的各种可能性集合称为这个事件的可能性空间。

79 歧路亡羊 《列子》中有“歧路亡羊”的故事：杨朱的邻居走失了一只羊，许多人找不回来。杨朱问邻居怎么回事，邻居说：“歧路之中，又有歧焉”。
杨朱很有感触，他所感叹和研究的正是事物可能性空间不断展开的方式。

80 控制涉及可能性空间 控制论是研究机器、生命和社会有关控制和通信一般规律的科学。
控制是利用系统内外条件的作用来克服系统的不确定性，是系统稳定地保持或达到某种特定状态。 “计算机控制飞船”、“基因控制遗传”、“药物控制癌症”的控制对象不同，但作为控制过程的共同点是： (1) 被控制的对象存在着多种发展的可能性; (2)被控制的对象不仅必须存在多种发展的可能性,而且,人可以在这些可能性中通过一定的手段进行选择,才谈得上控制。 因此，我们不会说“控制了光在真空中的传播”；也不会说“我们控制了台湾地震或四川地震”。

81 控制，意味着什么 事物发展的矛盾性，使事物的可能性空间至少面临着肯定自身和否定自身两种状态。事物发展的可能性空间，或事物的不确定性，是由事物内部的矛盾决定的。 人们根据自己的目的，改变条件，使事物沿着可能性空间内某个确定的方向发展，就形成控制。控制，归根到底是一个在事物可能性空间进行有方向的选择的过程。

82 控制的三个环节 一切控制过程，实际上由三个基本环节构成： 1.了解事物面临的可能性空间是什么？ 2.在可能性空间中选择某一些状态为目标？
3.控制条件，使事物向既定的目标转化》 我们把实行控制前后的可能性空间之比，称为控制能力。 思考：为什么小网眼比整张网，更难捕鸟？

83 感受器与效应器 自动控制图 在现代化的自动控制设备中，L通常称为感受器，L-1 通常称为效应器。
控制对象 A 效应器L-1

84 反馈 反馈就是指将被控系统产生的结果输送回来，对信息的再输出发生影响的方法。
反馈即用系统活动来调整系统未来活动的方法。 相互作用是事物的真正的终极原因，反馈的本质就是客观事物相互作用的一种表现形式。 正反馈是指给定系统的信息与真实信息的差异倾向于加剧系统正在偏离目标的运动，使系统趋于不稳定状态，以至破坏系统稳定状态。 负反馈是指给定系统信息与真实信息的差异倾向于反抗系统正在偏离目标的运动，使系统趋于稳定态。

85 信息·消息·信号 信息是标志事物存在及其关系的属性。从认识论角度看，信息就是消除认识主体对事物认识不确定性的新消息、新内容、新知识。离开主体认识范畴的本体论信息是“自在信息”，纳入主体认识范畴的信息，才是“为我信息”。 所谓“知道”，是指人获取信息的过程。在绝大多数情况下，“知道”意味着我们头脑中关于事物变化可能性空间变小，对事物的认识的不确定性减少。 信息是消息的内容，消息是信息的外壳；消息不一定带来新知识，一个消息可带来多种信息。 信息通过编码为信号传递，信号是信息的载体，信息是信号所包含的内容。信息的保存就是信源的信息通过信号变换为信宿的信息，涉及信息的辨认与解码问题。 比如，毛泽东经常利用历史人物编码当代人物，金庸的武侠人物经常被作为某个恋爱角色或政治人物的代号。美国中央情报局根据《深海圆疑》之类的科幻片编码潜舰撞击事件，俄罗斯色情间谍按照《安娜·卡列尼娜》等进行编码，等等。

86 信息与概率 概率是用来表示各种可能性实现的机会大小的一个量，人们把必然发生的事件的概率规定为1，把绝对不可能发生的事件的概率规定为0。
我们可以通过概率来严格计算信息量的大小，不过在许多场合，我们也可以简单地根据可能性空间的变化来度量信息量。 《列子》中提到纪昌向飞卫学箭，飞卫要求他练好眼力，直到把一只虱子看起来如同车轮，就是指控制活动需要获取足够信息量。

87 信息的传递 传递信息有几个重要的环节，一个称为信息源，一个称为信息的接受者。在信息源和接受者之间还必须存在传递信息的通道，信息通道把信息源“发生了什么事件”传递给接受者。 庄子与惠子关于鱼的争论，本质上是关于信息能否传递的问题。 所谓信息的传递，也就是可能性空间变化的传递。传递信息与控制有着紧密联系，因为控制也是一种使可能性空间缩小的过程。

88 通道容量：最好略大于信息传递量 一条通道，在单位时间内，可以传递的最大信息量称为这一通道的通道容量。通道容量由如下因素决定：
1.人启动通道的速度和控制能力； 2.通道有几个分辨状态——通道的可能性空间大小（比如，大小弦一样的琴无法演奏音乐）； 3.通道传给人的速度和对人的控制能力（人对它的信任了解程度）。 通道容量太小，信息就不能及时地传出去，这是显而易见的。 通道容量太大，一是没有必要造成浪费，二是信息受到的干扰也会增加，搞得不好会得不偿失。比如，十字路口的灯的颜色不宜过多。仪器太精密，也会导致调控成本太高而在单位时间获取信息减少。

89 火警的传播 同样的失火事件，一般人看见了用高声呼叫的办法把信息传递出去，一个哑巴看见了只能用手势、神态来表达。
照理说，哑巴的手势、神态是通过光波传递的，比声波传递的呼救声要快，但实际上人们总先听到呼救的声音。 显然，语言的可辨状态比手语要多，而且对一般人的控制能力也比手语要强。

90 干扰：信息失真 根据信息传递的三个基本环节，可以把干扰分为三类： 1.干扰发生在人控制通道的可辨状态过程中，称为控制干扰；
2.干扰发生在信号自然传递中，或某些外来因素影响了通道的可辨状态，称为自然干扰或噪音； 3.干扰发生在人接受信号过程中，通常称为主观干扰。 《韩非子》中愚人买鞋忘记带量好的尺码，就是不懂得直接使用自己的脚，作为直接的信息源。

91 烽火戏诸侯 古时候，烽火台是用来传递敌人是否来犯的重要信息的。
周幽王为了博得褒姒一笑，就把烽火台点了起来，结果使得这一通道在分辨敌人来，还是不来时，受到致命的干扰。以至最后敌人来到的信息根本传不出去。

92 自耦合分析 由A，B两个子系统组成的功能耦合图： [x] [y] 显然，我们可以将 → →{y} → → 当作一个新的子系统F。
它的输入与输出关系为： Xn+1=B[A(xn-1)]=F(xn-1) 左边的耦合图简化为： [x] 由A，B两个子系统组成的功能耦合图： [x] [y] A B A B F

93 自耦合分析：化多为一 这种将复杂系统转化为自耦合系统处理的方法非常有用，因为当多个子系统通过串联耦合时，如果我们只对变量x的抗干扰能力感兴趣，那么我们可以把和变量x有关的整个组织系统的功能耦合网看作是一个对x的运算子F。 整个组织系统简化为一个x通过运算子F(x)形成的自耦合系统。

94 稳定性分析：蛛网法 自耦合系统的行为可以用F(x)和对45o角的直线用蛛网法作图来判定。
假定线性自耦合系统的功能函数F(x)=kx+c,那么平衡态是否稳定取决于k的值。

95 稳定性与系统行为 对于线性系统，用蛛网法很容易判别：
当-1<k<1时，系统有一个平衡点，而且是它的内稳态，对于线性系统它还是恒稳态。 当k>1或k<-1时，平衡点不稳定，偏离平衡造成正反馈。 当k=1时，平衡点有无穷多个，但它是随遇平衡，而不是内稳态。 当k=-1时，系统趋于等幅振荡。 这与用微分动力学方程的稳定性分析结果等价。

96 非线性系统的稳定性 对于非线性系统，仍然采用蛛网法来判别F(x)与45o对角线的交点是否稳态。显然，平衡态数目可以从x=F(x)有多少个解求得。 而在每一个平衡点附近，我们都可将F(x)展开为幂级数，用线性方法探讨。 显然，x0是稳态的条件是-1<F´(x0)<1。当F´(x0)=1时，需要考虑高阶导数。对于线性系统，内稳态又是恒稳态，原则上干扰无限大都不会破坏内稳态的稳定性。而对于非线性系统，内稳态成了亚稳态，干扰不能太大，只有在内稳态附近，自耦合系统才是稳定的。

97 非线性系统的新行为：混沌 对于非线性自耦合系统，它在x0附近的行为也如线性系统，出现三种情形： （1）x0为内稳态； （2）周期性振荡；
（3）振幅不断增大的振动。 在远离x0的区域，系统行为除了趋向上述情形，还会出现非周期振荡——混沌。

98 吸引子：系统趋向稳态 自耦合系统趋向稳态的过程，相当于微分动力学方程描述的“吸引子”，功能耦合的系统稳态好象是一个吸引中心，如同小球在重力作用下落入洼底。 李雅普诺夫在研究微分方程稳定性时发现，可以根据方程来构造李雅普诺夫函数V=V (x,y)。这个函数可以想象为（x×y）相空间的某个曲面（或超曲面）。如果势函数有洼存在，洼底代表稳态位置，洼的大小代表吸引中心的势力范围。

99 吸引子分类 定常吸引子：代表系统状态所时间直接衰减或振荡衰减的阻尼运动。 周期吸引子：代表系统状态随时间作周期运动。
拟周期吸引子：在极限环面上绕圆周旋转的周期与绕中轴旋转的周期之比为无理数，就是拟周期吸引子。 奇怪吸引子：将三维空间的图象经过多次拉长与折叠后而形成的好象体积为零，而面积无限大的图象。往往与混沌运动有关，具有分形结构。

100 排斥子与鞍点 在微分动力学方程的相空间中，如果一个平衡点在所有方向运动轨线都收敛，就是吸引子；
如果在所有方向运动轨线都发散，就是系统的排斥子； 如果在某些方向运动轨线收敛，在另一些方向发散，就是鞍点。 排斥子与鞍点都是不稳定的平衡态。

101 自耦合分析与势函数 对于线性自耦合系统，其功能耦合函数 F（x）=kx+c，x0为内稳态的条件是：
x0 -（kx+c）=0，-1<k<1 显然，它就是满足如下势函数在x0为极小的要求：V=（1-k）x2 /2-kx . 对于非线性自耦合系统，我们同样可以引进势函数，只要令V(x)=x2 /2-∫x0 F(x)dx ， 则通过对势函数求一阶与二阶导数，就可以得出势函数为洼的条件，恰好是x0为自耦合系统内稳态的条件。

102 突变理论 突变理论的基本思想是考察势函数的洼怎样随参数变化。假定势函数有许多洼，当参数连续变化时，如果势函数的洼连续移动，系统是渐变。当系统所处的原有的洼消失，系统发生突变，状态跳到一个新洼中。 结构稳定性是指势函数形状在外来干扰下不变，特别是势函数洼的数目不变。

103 突变集：结构稳定性破坏的条件 在突变理论中，必定先假定存在一个势函数V(x,λ)，系统状态是V（x，λ）的极小值。突变条件称为突变集，它是满足如下方程的λ值： ∂V（x，λ）/∂x=0， ∂2V（x，λ）/∂x2=0 通过简单的计算可以证明，突变集正好是系统结构稳定性破坏的条件。

104 结构稳定性的等价描述 对于功能函数为F（x）的自耦合系统，我们只要引进如下势函数： V（x）=x2 /2-∫0x F（x）dx，
显然，只要将x2 /2-∫0xF（x）dx作为势函数代入前面求解突变集的公式，马上可以推出突变条件：x0 =F（x0），F’（x0）=1， 它正好是自耦合系统结构稳定性破坏的条件。 因此，结构稳定性就是子系统各种耦合关系的稳定。

105 7种基本突变 名称 控制维数 状态维数 稳态转化方式 势函数类型 折线型 1 a→b G=x3 /3-a x 尖点型 2 a↔b
G=x4 /4-a x2 /2-b x 燕尾型 3 a b c G=x5 /5-a x3 /3 -bx2 /2-c x 蝴蝶型 4 a,b,c互相转化 G=x6 /6-ax4/4-bx3/3-cx2/2-dx 双曲型 G=x3+y3+ax+by+cx 椭圆型 G=x3 -xy+ax+by+c(x2+y2) 抛物型 G=x2y+y4+ax+by+cx2+dy2

106 突变的类型 实际上，七种突变模型的前四种尖点型突变，只是四个在原点结构稳定性势函数V=x3/3，V=x4/4，V=x5/5，V=x6/6在干扰作用下所呈现的最复杂状态。同样后三种脐点型突变，也只是在原点结构不稳定的曲面在干扰作用下呈现出来的最复杂状态。 它意味着，决定突变类型的是密级数中最高次项。随着控制变量增加，突变类型变得越来越复杂。也就是说，多元体系，相互作用复杂的体系，质变的模式相当复杂：如果质变前后的两个稳态之间的中间态稳定，就是渐变；如果中间态不稳定，就是突变。 比如，雷峰塔从上抽取砖头渐渐消失，或者中间抽取砖头，突然倒塌。

107 分叉与突变 形态发生分叉与突变的地方，正是结构不稳定的地方，分叉或突变前后，形态发生质变。
分叉和突变的相同之处是，都发生在结构不稳定的地方。 不同之处在于分叉是系统的局部性质，它可以在平衡态附近作泰勒展开求雅可比矩阵的特征值（吸引子，鞍点或排斥子）来研究。而突变是由一种吸引子跳跃到另一种吸引子，并不是原来的形态失稳，所以它是系统的整体性质，常用拓扑方法研究。

108 如何跨越熵的深渊 从无组织状态自发演化出组织的势函数是很少碰到的，它意味着非组织状态是不稳定或亚稳的。（宇宙爆炸，混沌星云等）
对于大多数组织，特别是生命系统，非组织状态也是稳态，它处于由热力学第二定律决定的熵极大的洼中。正如普里高津所说：“均匀的温度分布对于初始的非均匀分布来说是一个吸引中心。普朗克十分正确地强调指出，热力学第二定律在分子自然界中各种类型的状态之间的差别，一些状态是另一些状态的吸引中心。不可逆性是对这个吸引的表达。”

109 耗散结构 普里高津力求寻找远离热力学平衡态的李雅普诺夫函数，终于发现在远离热力学平衡态的地方可能形成代表组织状态的洼——耗散结构，他也证明了对某些不太大的系统，涨落使系统跳出热力学平衡态是可能的。这有助于消除卡诺热力学与达尔文进化论的深刻分歧。 系统的开放性，远离平衡态导致负熵流的出现，内部的非线性作用导致各要素的相干与协调，正反馈导致涨落在临界区域放大为巨涨落推动系统进入新的有序结构。

110 布鲁赛尔器 耗散结构普遍存在，比如流体中的贝纳德对流，激光，化学中的贝洛索夫——扎布金斯基反应和生物系统等。
布鲁塞尔器是用来演示耗散结构的化学反应模型： A→X，2X+Y→3X，B+X→Y+D，X→E 。 初始反应物和最终产物（A，B，C，D和E）仍保持不变，而两种中间组分（X和Y）可以有随时间变化的浓度。

111 分叉：稳态结构的转变 当耗散结构的控制参数发生变化，引起雅可比矩阵的特征值的双曲性（代表平衡点是吸引子，排斥子或鞍点）破坏，原来的稳态结构就在分叉点附近失去稳定性，出现新的稳态结构。 分叉点曲线确定了解的稳定性变化，该线的两边解的拓扑结构是完全不同的，即经过分叉点发生了结构不稳定，而极限点曲线确定了解的个数的变化。

112 通向混沌的道路 确定性系统出现混沌的最典型模型就是生态学中的逻辑斯蒂方程：Xn+1 =rXn（1-Xn）

113 混沌之旅 倍周期分叉进入混沌是一种方式，另外两种方式就是三个互不相关的频率的振荡出现混沌，以及从阵发混沌通向完全混沌。
混沌具有对初始条件的敏感性（蝴蝶效应），以及局部不稳定性与整体稳定性的统一，隐藏着自相似的分形结构，以及普适的收敛速率：费根鲍姆常数。 与分叉相反，如果系统开始有许多不同的稳态，但这些稳定结构破坏后，系统都面临一些共同的稳定结构，即汇流。