书城科普神奇动物科学美图大观(青少年神奇世界科学图文丛书)
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第2章 多彩的动物世界

许多人使用动物这个词时,脑中想到仅是哺乳动物。但是动物包括着鸟类、爬行动物、两栖动物和鱼类,以及种类多、数量大的无脊椎动物。科学家已经鉴别了大约有150万种,根据动物细胞的多少及身体的形态结构,分为20多个不同的动物门。其中,种类较多,在进化上有一定地位,与人类关系比较密切的有:原生动物门、腔肠动物门、扁形动物门、线形动物门、环节动物门、软体动物门、节肢动物门、棘皮动物门、半索动物门和脊索动物门。在这11门动物中,节肢动物占85%,它们不仅种类多、数量大、分布广,而且与人类关系也最为密切。

此外,在些科学家认为,可能还有1500万种无脊椎动物未被鉴别。

一、动物的分类

为了便于研究生物之间的关系,科学家们把生物做了不同的分类。一群动物的相同特征越多,对它们的分类就越精确。因此,所有的动物都属于动物界,分类顺序从大至小分别为界、门、纲、目、科、属、种。通过这些分类可以了解动物是如何通过进化相互联系的,以及它们在自然界中的所属问题。例如,人在生物分类中为:动物界,脊索动物门,哺乳纲,灵长目,人科,人种。

下面以东北虎为例,介绍如何对动物进行分类。

动物界

这是对动物综合的分类——植物界、细菌界和真菌生物都是独立的门类。动物界形成了四大界中最大的界,所有成员的身体都是由细胞组成、能自由移动的有机体,它们需要从食物中获取能量。东北虎属于动物。

动物界又分成40个小一些的类群,叫做门。门是界的主要部分,它包括那些具有相同身体结构的动物。例如:甲壳纲动物门——包括那些长着有关节的腿和两对触须的无脊椎动物。东北虎属于脊索动物门,脊索动物包含所有的脊椎动物。

门再分为更小的类群,叫做纲。它包括那些有共同的重要特征的动物。脊索动物门可分为鱼纲、鸟纲、哺乳动物纲、两栖动物纲和爬行动物纲。东北虎属于哺乳动物纲,这一纲包括所有哺育后代的温血脊椎动物。

和其他的类群一样,哺乳动物纲可分成很多目。东北虎被列入食肉目,因为它们是吃肉的温血动物。哺乳动物还包括:灵长目、鲸目、奇蹄目、偶蹄目、食虫目、有袋目、啮齿目、贫齿目、长鼻目等。

目下的分类是科。这个类群的成员经常有着共同的生活方式。猫科包括大猫类,如狮子和老虎;小猫类,如美洲狮和猞猁。它们是靠捕猎为生的动物,有灵活的身体、带爪的足和长长的尾巴。东北虎属于猫科动物。

猫科动物可以分为更多的属。它包括那些有着非常近的亲缘关系的动物。同一属的动物非常相似,但不在一起繁殖。在虎属中,虎是由多种类型的组成,如东北虎、华南虎、孟加拉虎等。

种是一群在形体上非常相像,在野外环境下共同觅食,结群繁殖的动物。这时候,东北虎的归属被锁定了。

双名法

在生物分类系统中,每一个物种都必须有一个独一无二的名字。早先人们以通俗的名称为常见的动植物命名,这些名称通常只描述它们的外形、发现或利用情况,很不科学。18世纪瑞典生物学家林奈发明了为生物命名的方法,叫作双名法。在这个系统中,每个物种都自己的名称,这样既鉴定了物种,也标明了它在整个生物分类学上的位置。例如,生叶常春藤名为CymbalarisaMuralis,前一个单词的意思是“钹状的叶子”,后一个单词的意思是“长在墙上”。

林奈

卡尔·林奈。瑞典著名生物学家,他发明了双名法,并对大量动植物进行了鉴定,命名和分类,从而为生物的科学分类奠定了基础,他也给人类命名了一个科学名称:HomoSapiens。著有《自然系统》和《植物哲学》等。

二、动物界

动物界是五大生物界中最大的界。它们多种多样,但都具有一定的特征。所有动物界成员都是依赖食物的有机体,为了生存,它们必须吃植物或别的动物。所有的动物都有感觉器官。因为活动频繁,动物们都有直辖身体的神经系统,很多动物都有循环系统,帮助它们吸进氧气、吸收营养、排泄废物。科学家根据相同的身体特征,把它们分成小的科和属,整个动物界被分成两大类:没有脊柱的动物叫做无脊椎动物;有脊柱的动物叫做脊柱动物。

无脊椎动物

地球上的无脊椎动物是脊柱动物的二十多倍。无脊椎动物是一个令人难以置信的多样化的动物种系,它们没有什么共同的特征,仅仅存在一点相互有别的亲缘关系而已。有许多种类的动物,人们只能在海洋里才能发现它们,但某些种类如昆虫,却生活在陆地上,普遍存在于世界范围内。

腔肠动物

腔肠动物大约有1万种,有几种生活在淡水中,但多数生活在海水中。这类水生动物身体中央生有空囊,因此整个动物有的呈钟形,有的呈伞形。腔肠动物的触手十分敏感,上面生有成组的被称为刺丝囊的刺细胞。

甲壳动物

甲壳纲动物是节肢动物,有坚硬的外壳包裹着身体。甲壳纲动物包括海洋生物,如螃蟹、龙虾、小虾、对虾和生活在陆地上的土蟹等。

软体动物

所有的软体动物,它们柔软的身体都被体外坚硬的外壳保护着。包括陆蛞蝓和海蛞蝓、枪乌贼、章鱼、石蟹、蛤和淡水蜗牛等。

节肢动物

节肢动物躯体较硬,长有外骨骼,具有分节的身体和有关节的步足。它们靠八条步足行走。蜘蛛和蝎子也属此门。

棘皮动物

这种动物皮肤上有多刺的外皮,身体展开的图样为圆形平面图。棘皮动物包括主要的海洋生物如海星、海胆、海参和毛头星等。

脊椎动物

尽管脊椎动物在动物王国中只占一小部分,但它们都是人类所熟悉的。脊椎动物最显著的特征是有脊椎或骨脊柱,内部复杂的骨架使脊椎动物适应性强,无论生活在陆地或水中都可以。科学家把脊椎动物分为五类:鱼类、两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类。

鱼类

鱼类分为软骨鱼和硬骨鱼两种:鲨鱼、鳐和盲鳗都有由软骨而非骨头组成的骨骼,它们也有多达5~7个能分别张开的鳃裂。硬骨鱼的外形各异,包括从大而小的鳗鲡到多刺带鳍的丽鱼科鱼以及像两栖动物的肺鱼。

两栖类

两栖类动物大部分时间生活在陆地上,但它们通常在水中繁殖。它们大部分有可以行走的四肢和可以呼吸空气的肺。但它们不长鳞片,皮肤疏松,潮湿的皮肤可以吸收氧气帮助呼吸。

爬行类

爬行类最先是完全生活在陆地上的脊椎动物,与两栖类相比,它们有减少水分流失的干燥鳞状皮肤,它们的蛋有一层厚壳,可以产在陆地上,多数爬行动物生活在地球的热带地区。

鸟类

鸟类由爬行类进化而来,此时爬行类的前肢变成了翅膀,鳞状皮肤变成了羽毛,这不仅有助于鸟类飞翔而且可以帮助维持鸟类的恒温。由于会飞,鸟类可以在世界的任何一个角落生存。

哺乳类

所有的哺乳动物都是温血动物,用母乳喂养后代是它们的特征之一。哺乳动物包括象、大猩猩和人类等。

三、遗传

遗传是指生物体的某些特征从上一代传递到下一代的现象。牛会生出牛而不是绵羊,苹果的种子总是长出苹果树,这些都是遗传的结果。遗传不仅使不同种类的动物和植物之间有了明显的差异,而且使同一种类的动植物之间也会有较小的差异,从而造就了这个色彩斑斓的世界。

染色体

染色体是细胞内部一种结构,主要由链状的脱氧核糖核酸和蛋白质构成,是一些微小丝状物,容易被碱性染料着色。亲代的特征主要就是通过染色体遗传给子代的。染色体携带了决定细胞乃至整个生物体发育所必需的全部信息。一个细胞内有许多染色体,这些染色体以成对形式排列。由雄性的一个染色体和雌性的一个染色体组合成对。不同的动物和植物的染色体数量也不相同。例如人类的染色体有46个,排列成23对,其中22对是常染色体,有一对是决定性别的性染色体。

单倍体和二倍体

同一个物种的细胞具有相同数目的染色体,这些染色体都成双成对地结合在一起。例如,水稻的细胞中都有24条染色体,每种染色体为2条,配成12对,把12种形状的12条染色体看作是完整的一套,水稻细胞中就有两套染色体。在生物学中,把具有两套染色体的细胞及由这种细胞组成的生物称为二倍体,而只有一套的,则叫作单倍体。

基因

基因是一种连串排列在染色体上的遗传物质,是生物遗传物质的最小功能单位,每个基因都携带着生物某一特征的信息。各种各样的基因在染色体上都有各自特定的位置。每个基因由不同排列顺序的许多核苷酸组成。基因控制蛋白质的制造过程,不同的基因只对不同的蛋白质起作用。

性状遗传

每个生物体的性状都取决于它所携带的基因。在有性繁殖生物中,每个生物个体都是两性细胞结合的产物,在结合过程中,性细胞提供各自的基因。其结果是产生出一个组合体,该组合体在很大程度或很小程度上显示出前辈的特征。

显性基因与隐性基因

生物体的每一个性状都是由从它的亲代那里获得的两个基因决定的,这些基因中有些是显性的,有些是隐性的。显性基因是指那些生物体内只要有它存在就总是呈现出它所控制的性状的基因。隐性基因是指当与显性基因同时存在时,其性状会被掩盖的基因。只有当生物体内没有相应的显性基因时,隐性基因控制的性状才会表现出来。

DNA结构

DNA分子由两条平行的链组成,两条链互相绕成螺旋状,称为双螺旋。每条链都由称为脱氧核糖的糖分子与磷酸在交替连接而成。每个脱氧核糖分子又与称为核苷酸的分子相连。两条链是核苷酸基之间的化学键联结钮合的。核苷酸基共有四种:腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤、胸腺嘧啶。DNA分子中,核苷酸基只能以特定方式连结:腺嘌呤只与胸腺嘧啶接合,而胞嘧则只与鸟嘌呤接合。

基因突变

染色体上的基因结构或基因组合的突然改变称为突变。突变的结果可能造成植物和动物外观与行为等方面的改变。生物体内的任何一个细胞都可能发生突变,其中以发生在生殖细胞上的突变影响最大,因为其所造成的突变物质会延续到下一代。大部分的突变都是有害的,会造成植物或动物在发育初期死亡。但是有些突变是有利的,而且会代代相传。这就是生物发生进化的一种方式。经过突变的植物或动物个体,称为突变体。

遗传定律

分离规律、独立分配规律和连锁遗传是遗传学的三大基本规律。分离规律是遗传学中一个最基本的规律。它阐明了控制生物性状的遗传物质是以自成单位的基因存在的。独立分配规律在分离规律基础上,进一步揭示了多对基因间自由组合的关系,解释了不同基因的独立分配和自然界生物发生变异的重要来源之一。所谓连锁遗传定律,是指原来为同一亲本所具有的遗传性状。在子代中常常有连在一起遗传的倾向。

四、进化

人类自从开始研究自然就注意到,生物的身体构造都非常适合它们的生活方式。如鸟喙的形状很适合啄食种子,而牛羊的嘴则适合咀嚼草类。物种的这些差异并不是专门制造出来的,而是物种逐渐演变的结果,这种演变过程就叫作进化。据估计,曾在地球上生活过的物种可能多达3亿~10亿。这么多的物种从无到有,从少到多,从简单到复杂,从低等到高等,一批又一批地进行着自然界新陈代谢的进化过程。

进化的理论

数千年多,人们对众多生物的来源迷惑不解,提出了种种解释,最终认识到生物是通过不断进化而来的。早在两千多年前,亚里士多德就观察到动物进化得愈高级,它的生理机能也就愈高级。然而,直到拉马克在1809年发表了《动物学哲学》一书,提出了他的进化学说,才奠定了现代进化论最初的基础。最重要的阐明生物进化的理论则是19世纪达尔文的自然选择学说。

达尔文学说

19世纪中叶,达尔文创立了科学的进化论,唯物地阐明了生物进化的机制,他的自然选择学说的主要内容包括过度繁殖、生存竞争、遗传变异、适者生存。随着遗传学和生态学等现代生物科学的发展和深入到生物进化理论的研究,达尔文的进化理论得到不断完善和发展,形成了以自然选择学说为基础的现代生物进化理论。

进化的证据

生物进化论的证据首先是化石。科学家通过对化石生物与后来的生物进行对比,找出其进化的证据。另一个证据是通过对不同动物相应器官的对比,如人的手和鸟类的翅膀,虽然表面不一样,但结构和起源却相同,来说明人和鸟类在远古时代有共同的祖先。此外,还可以通过对不同生物的胚胎进行研究,找出它们在发育学上的共同祖先和依据。

化石

化石是动物或植物死亡后的残体经过长时间而没有腐烂,数年后成为地壳的一部分。有的化石是机体自身完好的保存,有的是在沉积岩中的印模,有的是生存时留下的痕迹。到目前为止,已发现的化石有几百万种,大部分是海中生物的化石。通过研究这些化石,科学家可以逐渐认识遥远的历史时期生物的形态、结构、类别,可以推测出亿万年来生物起源、进化、发展的过程,还可以恢复漫长的地质历史时期各个阶段地球的生态环境。

化石的形成

古代生物的种类很多,并不是所有的生物都能保存下来变成化石,化石的形成需要一定的地质条件。古生物被泥沙掩埋后,遗体中坚硬的部分如外壳、骨骼、枝叶等与包围在周围的沉积物一起经过石化变成了石头。动物的粪便和脚印在特定的条件下也能成为化石。

生存竞争

生存竞争包括种间竞争、种内竞争、对环境的竞争三种情形。种间竞争指不同种生物之间的竞争,如一种生物以另一种生物为食;种内竞争指同种生物为抢夺食物而竞争,如当草很少时,动作慢的兔子就吃不到草;对环境的竞争指有的生物具有能适应恶劣环境的优势。

适者生存

在三种竞争关系中,种间竞争最为激烈,这是因为同种生物间的需求完全一致。在同种生物间,同性之间又有着非常激烈的争夺配偶的现象。一般情况下,生物繁殖产生的新个体数量很多,常常超过环境所能容纳的程度,过度的繁殖就会引起竞争现象。竞争的结果,使得某些适宜生存的个体成为环境的适者。

五、进化史及分类

目前世界已知13万种古生物物种,已知200多万种现生物种。面对如此多的物种科学家们不但要研究古生物的年代、特征,还要给现生生物命名、分类,并弄清新旧物种间的进化、繁盛情况。

地质年代的划分

地质年代通常有两种划分方法。一种是用同位素方法来计算岩层的年龄,被称为绝对地质年代,用距今几百年、几千万、几亿年等表示。另一种方法是依据地质、岩石、古生物和古地磁等方法来确定地层的先后顺序,将地质历史划分为若干阶段或时期,称作相对地质年代,根据不同的时间间隔分别用宙、代、纪、世等单位表示。

标准化石

在众多的古物类中,有些门类在反映地质年代上非常“灵敏”,被科学家们称作“标准化石”,它们被用作划分地层时间时往往起主导作用。例如三叶虫,它们只生存在古生代,而且演化明显,在古生代不同时期中都有各具特色的属种代表,是著名的标准化石。

太古宙(40亿~25亿年前)

细菌和藻类出现,最早的生命现在大约3.8亿年前左右,代表化石:细菌化石。

元古宙(25亿~5.7亿年前)

蓝藻和细菌开始繁盛,无脊椎动物出现,代表化石:蓝藻化石。

古生代

寒武纪(5.7~5.1亿年前)

大量多细胞生物快速出现,最繁荣的生物是节肢动物三叶虫,代表化石三叶石化石。

奥陶纪(5.1~4.38亿年前)

淡水无颌鱼出现,代表化石:无颌鱼化石。

志留纪(4.38亿~4.1亿年前)

有颌鱼类出现,代表化石:有颌鱼类化石。

泥盆纪(4.1~3.55亿年前)

脊椎动物飞跃发展,硬骨鱼出现。代表化石:硬骨鱼化石。

石炭纪(3.55~2.9亿年前)

蟑螂、蜻蜓类等陆上昆虫繁盛。代表化石:古昆虫化石。

二叠纪(2.9~2.5亿年前)

两栖动物繁荣,裸子植物出现。代表化石:两栖动物和裸子植物化石。

中生代

三叠纪(2.5亿~2.05亿年前)

最早的恐龙出现并繁荣,最早的哺乳动物出现并发展。代表化石:恐龙化石。

侏罗纪(2.05亿~1.35亿年前)

恐龙的鼎盛时期,鸟类出现。代表化石:恐龙和始祖鸟化石。

白垩纪(1.35~0.65亿年前)

恐龙完全灭绝,被子植物出现并兴盛:鸟类发展并开始分化。化表化石:恐龙和被子植物化石。

新生代

古今纪(65百万~2.4百万年前)

哺乳动物和鸟类进一步发展,早期的马、大象和熊类出现,猴子出现。最早的狼类出现,大型哺乳动物分布广泛,代表化石:哺乳动物化石。

新近纪(2.4百万年前~1.6百万年)

动植物都接近现代

第四纪(1.6百万年前~现代)

人类出世并迅速发展的时代,现代人分布到除南极洲以外的各个大陆。代表化石:现代人遗骨。