书名：地球生命的历程（修订版）
ISBN：978-7-115-61298-4
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著 【英】理查德•穆迪（Richard Moody） 【俄】安德烈•茹拉夫列夫（Andrey Zhuravlev）
【英】杜戈尔•迪克逊（Dougal Dixon） 【英】伊恩•詹金斯（Ian Jenkins）
译 王 烁 王 璐
责任编辑 刘 朋
人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
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46亿年是一个极其漫长的地质进程，伴随着地球内部构造和外部环境的巨大变化，生命从无到有并不断演化。这些生命形式适应并改造着生态环境，逐步达到了令人惊讶的多样性。每一次地质事件都对地球当前的面貌产生了重大影响。本书分为6章18个小节，这18个小节分别对应于18个主要的地质时期，每个小节都对一个地质时期重要的地质和生物演化事件进行了翔实的介绍。本书还在最后对现代地球及生物圈的演化方向进行了总结。
本书的每一章都由该领域的资深学者执笔，使得这部巨著能够清晰和全面地展现我们地球的非凡历史。
地史学是地球科学的一门基础学科，对于每个从事地学研究的人来说，它是一门必修课。我们知道，地史学是讲述地球历史的学科。从这个意义上讲，不仅每个从事地学研究的人需要了解它，即便是普通公众也有必要了解我们唯一的家园——地球的演化历史。《地球生命的历程》一书是一本优秀的“科普版”的地史学教材，是我见过的综合性和人文性最强的一部有关地球生命历史的著作。
本书的总体布局以时间为序，始于地球的形成过程和早期环境，讲到了早期生命的出现和寒武纪之前地球上各类生物的情况，然后逐一介绍从寒武纪到第四纪各个时期地球大陆和海洋的变迁、气候和环境的变化，以及生物类群的情况。在时间框架的基础上，作者在书中穿插了23个专题，用以介绍主要生物类群的演化。
从宇宙的大爆炸起源到现代生物多样性的危机，从基础地质概念的介绍到重要发现和研究的具体过程，从化石和矿物的形成到地球主要圈层和板块的演化，从研究方法的介绍到著名物种的展现，本书显然是一本综合性极强并带有浓厚人文色彩的图书。强调地球岩石圈、大气圈和生物圈相互作用的演化历史，是一本好的地史书的核心，本书显然在这方面表现突出。
本书的另外一个特点是极其丰富的插图。书中有许多精美的照片，也有很多栩栩如生的灭绝生物复原图和古生态复原图。尤其值得一提的是，书中有大量的解释性示意图，不仅绘制精美，而且形象直观，能够帮助读者快速把握科学内容。
需要指出的是，因为原著出版于本世纪初期，所以一些数据和概念与目前学术界的主流或者前沿观点有所出入。比如，在时间框架上，近年来宇宙起源时间和各个主要地质时期划分的时间点已经有了很大变化，像著名的恐龙大灭绝时间应该是6600万年前，而不是书中沿用的6500万年前。另外，书中的某些生物分类学观点也有些落伍，比如爬行动物依据颞孔分类的方法已经不再使用。其他还有些小瑕疵，比如把中国鸟龙放在了镰刀龙类当中，把阿尔瓦兹龙类放入了鸟类当中。为了便于读者阅读和正确理解，译者对这些问题做了详细注解，从而弥补了这一缺憾。
瑕不掩瑜，《地球生命的历程》值得每个希望了解地球生命演化历史的人阅读，相信本书系统的知识、浅显而生动的文字以及优美的插图能让读者享受到阅读的乐趣。
中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员 徐星
几年前，人民邮电出版社的刘朋编辑将《地球生命的历程》一书介绍给我们翻译。由于国内尚未有像本书这样图文并茂、深入浅出地系统介绍地球和生命演化历史的科普书籍，因而我们受此委托备感荣幸。能够将这本书呈现给国内读者，也算是我们为地球科学和古生物学知识的传播与普及尽了一份微薄之力。
但是在翻译过程中，我们也深感自己视野狭隘，对许多研究领域知之甚少、认识粗浅。原著内容涉及天文学、地球科学、生命科学和考古学，文字细腻而又舒卷自如。我们在翻译过程中时常因译文无法传神而绕室徘徊，偶有所得而又不敢妄下定论，只得请教各领域学者加以确定。为了尊重原著而又不使译文晦涩，我们在词句上尽量还原原著文字和图片想要传达的信息。和大多数生物学译著一样，我们在翻译过程中遇到的最大挑战并不是语言本身，而是书中涉及的大量动植物拉丁名的翻译。我们在译文中保留了中文文献中从未提及的一些动植物拉丁名、专有名词和地名的原文，从而最大限度地减少由译者望文生义而产生的歧义和误译。尽管如此，恐怕仍有不少拉丁名和专有名词的译法不甚准确，难免贻笑大方。在此，对这些名词译法可能给读者带来的不便深表歉意。
本书原著作者均来自欧美，因而全书的文字和图片也均来源于欧美相关领域的研究成果，在诸如地层名称的叫法和动植物分类阶元等细节上与我国存在一定的差异。为了尊重原著，我们将这些细节完全保留。对于原著中一些陈旧的知识点，我们以译者注的方式予以更新和说明。作为译者，在翻译的同时感到自己仿佛置身于博物馆中，跟随原著作者穿越近46亿年的时空，目睹地球上的沧海桑田和波澜壮阔的生命历程。最后，我们要感谢中国科学院古脊椎动物与古人类研究所的郭建崴、徐星、董丽萍、王海冰、陈瑜以及首都师范大学的各位同人在本书翻译过程中提供的帮助。由于时间仓促，书中如有遗漏和错译之处，恳请广大读者和同行专家不吝赐教。
王烁 王璐
如今，人们对地球的起源、生命的出现、恐龙时代、人类的祖先以及冰河时期这些话题大都不会感到陌生。但令人惊讶的是，所有这些知识都是过去200年里人们通过在采石场和海滩上的散乱岩石中偶然发现的化石获得的。
最早对自然界进行科学观察的是古希腊人和古罗马人。中国古代对海陆变迁和地壳运动的认识最早可以追溯到宋代。公元1200年之前，宋代著名的思想家和诗人朱熹就曾写道：“尝见高山有螺蚌壳，或生石中。此石即旧日之土，螺蚌即水中之物。下者却变而为高，柔者却变而为刚。”然而，600年之后，欧洲的自然科学发展依然缓慢。虽然一些关键的科学问题得到了解释，但是主流的观点依然认为地球是最近才由至高无上的造物主创造出来的。
这一观点随即遭到了挑战。1788年，苏格兰农场主和业余地质学家詹姆斯•赫顿找到了有力的证据，证明地球远比想象的古老。他观察了苏格兰河流的泥沙沉积和河岸遭受侵蚀的过程，并从巨厚的岩层中得到启发，认为它们代表了亿万年来的沉积——“既找不到开始的痕迹，也看不到结束”。在此基础上，赫顿提出了均变论[1]，认为现在是通往过去的一把钥匙，即自然法则是始终如一的，发生在历史时期的地质现象虽已不复存在，但可以用正在发生的地质现象加以解释。因此，他摒弃了中世纪的地质学理论，并将地质学确立为一门科学。
[1] 译者注：19世纪英国地质学家莱伊尔继承了均变论的观点，并将其演绎为“将今论古”的现实主义方法。这一方法在地质学和古生物学中影响颇深，并且推动了现代地质学的发展。
在赫顿生活的年代，化石逐渐从私人收藏者手中的玩物转变为研究生命起源问题时的关键证据。直到1750年，大多数博物学家（包括很多牧师）还认为地球上的动植物是从来不发生改变的，并且总是认为灭绝事件只不过是造物主犯了一个严重的错误而已。然而，随着大探险和机械化挖掘的进行，人们发现了越来越多的未曾见过的动植物化石。
早期的探险家把他们在北美洲采集到的标本运回欧洲进行研究。起初运回的贝壳和蕨类植物化石看上去与我们今天看到的并没什么两样。但是1750年前后，大批从美国俄亥俄州表层沉积物中发现的巨大骨骼和牙齿被运抵伦敦和巴黎。欧洲的科学家认为它们属于某种大象，但肯定不是现代的亚洲象和非洲象。他们甚至怀疑，这种未知的大象（Incognitum）现在依然生活在遥远的北美洲西部。显然，这种推测根本站不住脚，因为曾经到过北美洲西部的探险家从未发现任何象类的踪迹。到了1795年，法国解剖学家和古生物学家居维叶宣布，Incognitum是一种已经灭绝的动物，名叫乳齿象。除此以外，他还描述了包括产自西伯利亚的猛犸象以及南美洲的大地懒在内的其他动物。这些动物除了骨骼化石以外并无任何现生代表，居维叶认为它们也都是已经灭绝了的动物。
居维叶把这些动物消失的原因归咎于毁灭所有生命的全球性大灾难，即灾变论[2]。这种推测与均变论主张的渐进、稳定的变化背道而驰，而与圣经故事中的大洪水和瘟疫不谋而合，因而得到了传统派的支持。然而，就像当年赫顿将地质学确立为科学一样，所有的证据看上去似乎都对均变论更加有利。直到20世纪60年代，大多数地质学家还是激进的均变论拥护者，认为我们今天看到的自然界发生的现象在地球历史上的任何阶段也必然发生过。事实上，灾变论的主张在很多情况下都是正确的，尽管在现在看来都是再正常不过的自然现象，但是像小行星撞击地球和冰河时期这样的灾难性事件的确可以导致生物大灭绝。
[2] 译者注：18世纪末到19世纪初，大量古生物化石的发现表明很多在地史上曾经出现过的物种如今已完全灭绝。虽然《圣经》当中有关于大洪水的记录，但其强调物种可以在大洪水过后复活，并不能解释灭绝现象。为了调和古生物学发现和圣经故事的矛盾，就有了所谓的灾变论。按照灾变论的说法，地球历史上周期性地爆发足以导致全部物种灭绝的灾难性事件，灾难过后地球表面又会被新创造出来的物种占据，即所谓周期性的物种更替。
时间、岩石和化石之间错综复杂的关系直到19世纪初才被揭开。
支持均变论的证据主要来自19世纪二三十年代出现的地层学原理，即岩石的层序。在赫顿确立了地层的时间框架以后，人们发现很多地区都会重复出现特定的岩层分布，而且都可以发现类似的化石组合。比如，英格兰南部的一套地层可以与苏格兰或法国的具有相同化石组合的地层进行对比。通过与已知地层的对比，地质学家可以准确判断一套地层的上覆和下伏地层是什么。通过这样的手段，石炭纪、侏罗纪、白垩纪和志留纪这些关键的地质时代被——划定和命名，但命名的顺序并不是严格按照时间的先后。
化石又意味着什么呢？它们显然不是恒久不变的。那么它们是像居维叶认为的那样反映了地史时期一连串的物种形成和灭绝呢，还是代表了不同时代的同一物种呢？虽然英国和法国的哲学家在19世纪上半叶就讨论过这个问题，但并没有形成一致的意见。直到1859年，达尔文才最终提出了生物演化[3]的基本规律。他认为已有物种在时间维度上的延续构成一个线系，我们今天看到的生物多样性只能通过线系的分支缓慢形成，并且所有的物种都能追溯到远古时期的共同祖先。在达尔文理论的框架下，19世纪的古生物学家根据越来越多的化石证据勾勒出一幅清晰的、几乎不需要任何修改的生命历史画卷。虽然20世纪的大发现，特别是遗传定律的发现进一步阐明了生命演化的过程，但是现代古生物学的任务依然是寻找演化过程中的缺失环节。
[3] 译者注：考虑到evolution指生物随时间推移产生的特征改变，很难说是“进”还是“退”，因此译者在本书中将evolution译为“演化”，将evolutionary theory译为“进化论”。
在1915年前后，两个重要的成就使地质学发生了革命性的变化。首先是放射性同位素测年技术的应用，即将19世纪90年代居里夫妇发现的放射性衰变原理应用在岩石测年上。利用这一手段，地质学家首次测定出岩层的绝对年龄，并把它们标注在19世纪30年代就已经确定的地质年代表上。
紧接着，大陆漂移学说的提出标志着第二次革命。1915年以前，绝大多数地质学家相信地球是稳定的，只有很少人注意到非洲西部和南美洲东部海岸的轮廓可以完美拼合，另外一些人注意到相隔很远的两地产出了相似的化石。德国气象学家和地球物理学家魏格纳是第一个提出异议的人，他认为这一切并非巧合。魏格纳认为现代大陆都是2.5亿年前二叠-三叠纪时期巨型古陆的一部分，并且现代大陆依然在移动着。不过，当时大多数地质学家对魏格纳的理论不屑一顾，他们搬出几位伟大的地球物理学家的观点，强调地球不但是固态的，而且根本不存在什么推动板块移动的机制。
20世纪五六十年代人们对大洋的探索使魏格纳的理论得到了确证。推动大陆漂移的“马达”实际上是板块构造。大陆和海洋分别处于各自的板块上。在洋盆的中心地带，地幔物质对流上涌形成年轻的地壳，将板块向两侧推挤。为了有足够的空间容纳年轻的地壳，板块边缘地带发生汇聚和俯冲，形成了像今天安第斯山脉和喜马拉雅山脉这样的高山。
发现一只5.5亿年前的现代兔子一定会推翻整个进化论，但是这样的事情从未发生过。
虽然地质学家无法知晓地球历史上发生的每一个事件，古生物学家也无法悉数清点所有的化石物种，但是依然有足够的证据重塑地球45亿多年的历史，并且证据高度吻合。比如，很多证据表明北美洲的大部和欧洲在大约100万年前是被冰层覆盖的，而且至今也没人在加拿大发现这个时期的干旱沙漠和热带礁石。尽管每年都有大量的化石发现，但是古生物学家从未在寒武纪页岩中找到兔子化石，以及在恐龙生活的时代找到人类化石。基于现有的知识，我们完全可以预知演化的缺失环节，并知道哪些发现可以填补它们。当然这样说多少有点吹牛的成分，但是至少在有足够的证据证伪它们之前，岩石和化石都是地球及其生命历史的忠实记录者。
在本书中你将有机会了解到地质学和古生物学的最新研究成果。其中，地层学原理、同位素测年和板块构造搭建了基本知识框架，而详细的古地理图展示了地球亿万年来的惊人变化。这些资料都是由各国地质学家收集整理和汇总的。
本书前两章从地球的起源、适合生命生存的外部环境的形成讲到早期生命的出现，第三、四章讲述了地球陆地的沧桑巨变、森林的发展以及两栖动物到爬行动物再到鸟类的神奇演化历程，第五、六章讲述了新生代以来地球环境的快速变化、哺乳动物和人类的起源以及人类对大自然前所未有的影响。一句话，这本书里的故事远比200多年前赫顿想象的更加精彩。
迈克尔•本顿 于英国布里斯托大学
真实的线性比例
这幅地质年代图之所以做成螺旋形，是为了展示真实的线性比例。因此，在这幅图里，从历时20.5亿年的太古宙到只有不到200万年的更新世，所有地质年代的线性长度都是成比例的。
从古至今？
地质学里所有的概念都是建立在时间的基础上的。除了个别来自其他出处，这幅图涉及的大部分地质时间引自1998年哈克和范埃森格编著的地质年代表。
[1] 译者注：根据最新的地质资料，更新世的下限为距今259万年。
距今45.5亿~5.45亿年
地球的起源及其自然环境
生命的起源及其特点
太古宙
元古宙
过去，地球的大小、年龄以及与日月的关系问题曾经困扰人们数千年。古希腊人认为，太阳、月球和其他行星都是围绕地球运转的。公元前6世纪，古希腊数学家毕达哥拉斯提出我们脚下的大地其实也是一个球体，地球上的四季就是由倾斜的地轴造成的。古希腊萨摩斯的天文学家阿里斯塔克斯是最早提出地球围绕太阳运转的学者之一，但是这个观点直到1543年波兰天文学家哥白尼提出完整的“日心说”理论之后才被接受。随后，第谷•布拉赫和约翰尼斯•开普勒进一步完善了哥白尼的理论，其中包括开普勒提出的行星运动三大定律。随着望远镜的发明，伽利略验证了哥白尼的学说，牛顿则对太阳系的物理特性进行了系统的理论阐释[1]。
[1] 译者注：牛顿论证了开普勒的行星运动定律与他的引力理论的一致性，认为地球上的物体与天体的运动都遵循着相同的自然定律。他的工作为“日心说”提供了更为有力的理论支持，并推动了科学革命。
在欧洲，有关地球年龄的问题长期被《圣经•创世记》所左右。17世纪的神学家认为地球的年龄不超过6000岁。然而，对这个答案的质疑在18世纪末和整个19世纪就一直没有停止过。例如，苏格兰业余地质学家詹姆斯•赫顿根据所掌握的地层学证据，就坚持认为地球的年龄远比6000岁大。事实上，这个问题直到20世纪初放射性同位素被发现后才得到解决。放射性同位素的应用使得对岩石的测年变得更加精准。利用这一手段，科学家测得地球上最古老的岩石的年龄大约为46亿岁。
我们的太阳和太阳系内的其他行星并不是宇宙中最古老的天体。早在它们诞生之前，许多由氢、氦等简单元素组成的天体就已经出现。宇宙本身诞生于大约137亿年前的一次大爆炸，大爆炸后形成的云骸四处飘散，形成最初的恒星。这些恒星或者燃尽自己，或者发生剧烈的爆炸，或者与其他天体发生猛烈的碰撞。我们的地球正是在大约46亿年前诞生在这样的云骸中的。
如今，天文学家已经能够利用先进的技术手段来观测深空中行星系的形成过程，比如利用哈勃空间望远镜去研究星际云以及恒星和行星的演化。因此，地球诞生过程中发生的许多重大事件的时间尺度和顺序都已被确认。
陨石、月岩、地球上最古老的岩石矿物和早期的化石记录，都为我们了解地球最初10亿年的历史提供了重要的信息。然而，地球早期的岩石大都被之后频繁的地外天体撞击所破坏，抑或被撞击产生的高温熔化，因此能够保存至今的少之又少。随后，地球又被一颗与火星大小相仿的天体撞击，导致二者受到不同程度的破坏。撞击产生的碎片溅射到太空中，最终形成了月球。这一事件大约发生在距今45.1亿年前，这个精确的时间是通过20世纪60年代末宇航员从月球上带回的岩石样本测得的。
质量较小的物体也可以蕴藏巨大的能量。例如，直径仅有10米大小的陨石撞击地球所释放的能量相当于一次中等强度的地震。当然，对于行星而言，其初始质量越大，所蕴藏的能量也越大，并且维持的时间也就越长。在最初的10亿年里，大量行星碎片的撞击使地球获得了无尽的能量。这些碎片在撞击地球之前的温度可能极低，但撞击产生的巨大能量正是导致地球各个圈层（如地核、地幔等）形成的主要因素。
这些巨大能量的产生使得地球就像一台热力发电机。能量与液流启动内部的“发电机”，在地球深部产生对流。后来，这些对流成为导致大陆漂移的主要驱动力。地球内部的“发电机”和机械流导致了地磁场的形成。有证据表明，地磁场早在35亿年前就已经出现；并且，根据其形成时“封存”在海底火山岩中的证据可知，地球磁场的方向并不是稳定的，而是周期性地发生改变的。
在地球诞生之初的5亿年里，高温和频繁的陨石撞击阻碍了地壳的形成。到了40亿~35亿年前，随着地幔的冷却和对流运动的减弱，花岗岩开始出现并构成了最初微大陆的核心。地球的另一个重要变化是大量水的形成。水分由陨石等地外天体裹挟进入地球，并通过火山活动等地球早期的一系列化学和物理变化逐步释放。原始海洋中的物质也很可能来自地外。这些富含盐类的水体逐渐汇聚成海洋，为生命的演化提供了不可或缺的环境。海水使地球表面进一步冷却，因此地球表面的温度也很可能变得比之前更加稳定了。
随着地球温度的降低，地壳活动趋于平静，早期大陆开始形成。不久，水、二氧化碳和氮气出现，早期微生物开始演化。
大气层是地球最晚形成的几个主要结构之一。最初，太阳风驱散了地球表面的所有气体。此后，富含二氧化碳、氮气和水蒸气的大气层逐渐取代了原有的气体，并且在地球周围形成了一个能够阻挡紫外线和阻止热量散失的保护层。温度的差异使大气分层，进而产生了对流运动，全球的大气开始循环。但是，这一时期形成的富铁沉积物大都还处于还原态，说明彼时的大气层依然是缺氧的。尽管如此，原始的生命依旧出现了。到了大约35亿年前，当它们能够进行光合作用时，大气中的氧含量才开始逐渐增加。
理查德•穆迪
毫无疑问，地球在太阳系中是独一无二的。但是在宇宙深处，在人类未知的遥远星系中，很可能存在着成千上万个和地球一样的行星，它们也围绕着一颗类似于太阳的恒星运动。它们的轨道与恒星保持着适当的距离，为生命的繁衍创造了适宜的温度。和地球一样，它们可能也有大气作为保护层，该保护层不仅可以阻挡有害射线的穿透，还能避免其他天体的撞击。不仅如此，这些行星上可能也存在着大片的海洋，孕育着勃勃生机。然而，到目前为止，地球依然是我们已知的唯一拥有这一切的行星。
有关地球的故事要从大约137亿年以前的大爆炸说起。大爆炸发生之前，宇宙中所有的物质都集中在一个极其致密的点上，这个点又被称作奇点。大爆炸相当于无数次核爆同时发生，其规模难以想象。大爆炸之初产生了氢、氦和其他元素。氢和氦是两种质量最轻的元素，它们在大爆炸中先于其他元素出现，组成了90%以上的可见物质，它们也是构成宇宙、地球乃至生命的基本元素。
关键词
大气层、地核、地壳、气体产生、分化、火成岩、岩石圈、地幔、变质岩、光合作用、沉积岩、层序、板块学说、不整合、均变论
参考章节
生命的起源及其特点：蓝细菌，氧气与光合作用
太古宙：早期大陆与古老的岩石
元古宙：复杂生命形式的演化
氢可能是宇宙中最原始的物质，也是质量最轻、数量最多的元素，其他的元素可以通过氢的聚变形成。
宇宙起源于大约137亿年以前的一次大爆炸。在大爆炸后最初的几秒，物质只能以电子、质子、中子等基本的亚原子粒子形态存在。同时，大爆炸产生的巨大能量使温度达到了令人难以置信的100亿摄氏度。
然而，仅仅几分钟之后，温度就迅速下降到了10亿摄氏度以下，这时大爆炸产生的基本粒子也开始发生聚合，形成轻元素的原子核。大约过了100万年，当温度下降到只有几千摄氏度的时候，原子开始形成。作为质量最轻的元素，氢可能是最早形成的元素，而氦紧随其后出现。
在大爆炸之后不久，氢和氦被抛射到远离奇点的宇宙空间中。它们在引力作用下聚集形成致密的气体云，即星际云。这是所有恒星和星系诞生的摇篮。氢及其同位素通过恒星内部的热核反应形成氦。换句话说，氦就是氢燃烧后的产物。
早期形成的元素都可以通过核聚变的方式产生新的元素，比如氦的燃烧产生了碳和氧。当然，这些元素都是在恒星演化的早期阶段形成的。紧接着钠、镁、硫、磷和硅等元素依次产生，以此类推。持续不断的核聚变反应使炽热的恒星产生了异常的高温和剧烈的活动，进而产生了铁及其他质量相当的元素。构成宇宙的大多数元素就是通过这样的方式逐渐形成的。
137亿年前
大爆炸发生在大约137亿年前。太阳星云形成，并且其吸积盘在最初几十亿年里形成行星。大约45亿年前，一颗火星大小的天体撞击地球，这次事件溅射的物质最终形成了月球。
大爆炸与宇宙诞生。 
太阳星云开始收缩。 
星云开始旋转和扁化。 
大部分物质向中心汇聚形成太阳。 
行星在围绕太阳的轨道上吸积形成。 
地球和其他类地行星。 
一颗微行星撞击地球。 
溅射到空间中的撞击碎片散布在绕地轨道上。 
碎片聚集形成月球。
恒星主要通过内部核聚变产生的能量来对抗引力，从而维持自身的稳定。当早期恒星耗尽核聚变燃料的时候，其核心在引力的作用下发生坍缩。这时，中子和质子的轰击作用变得更加强烈。最终，恒星会以超新星爆发的形式瓦解，在这个过程中产生了比铁更重的新元素，也将更多的物质抛射到空间中。如今，天文学家依然能够在宇宙中观测到恒星从诞生到毁灭的过程。
超新星爆发产生的气体和尘埃大多形成了星云。以我们的太阳系为例，这些气体和尘埃聚集在一起形成了炽热的、高度压缩的中央球体，即原太阳。在原太阳的周围，各种元素构成了一个围绕其转动的原行星盘。它们不断地冷却，以形成更大的天体。其中的一些行星碎片（即微行星）相互碰撞形成原行星和卫星，而另一些碎片则按照自己的轨道继续围绕太阳运动，形成了小行星带。
在原始星云开始聚集的20亿~30亿年后，太阳系初步成型。太阳在其核心温度达到1000万~1500万摄氏度的时候开始发光。与此同时，氢通过核聚变形成氦。在随后的1000万年里，核聚变形成的猛烈风暴将大量的不稳定元素抛向宇宙空间。其中一部分元素参与了原行星的形成，它们最终形成了水星、金星、地球、火星等太阳系内行星；还有一些元素在距离太阳较远处吸积形成了气态的外行星，包括木星、土星、天王星和海王星。
由于微行星的不断聚集和轻元素的缺失，早期的地球除了熔融的岩石以外并不存在大气。但是，万有引力很快就起了主导作用，连续的撞击和放射性元素衰变产生的能量加剧了高温和熔化过程。在大约45亿年前，地球与另一颗巨大的微行星发生剧烈碰撞。这次碰撞释放了更多的热量，并且形成了月球。目前，宇航员带回的最古老的月球岩石可以追溯到44亿年前，这比任何已知的地壳样品都要古老。
没人知道地球究竟是怎么形成的。但是科学家们相信，在吸积结束以前地核就已经开始形成了，并且内核的温度高到足以熔化铁的程度。
在形成之初，地球上的硅酸盐矿物和金属矿物是混杂在一起的，因此地球深部与地表的成分没什么两样。物质吸积和放射性元素衰变产生的热量使地球的温度不断升高，进而导致地球组分开始分层。在这个过程中，铁原子和次生重矿物开始下沉形成相对较软的地核。计算显示，当物质的吸积达到现在地球质量的1/8时，金属铁即开始下沉。需要指出的是，此时的地球还远没有吸积完全。轻元素（包括气体元素）开始向上运动，质量最轻的气体逃逸到了宇宙中。大约在35亿年前地球刚形成不久，地核还是呈半熔融状态的。但是随着压力的不断增大，内核变成了固态，而外核由于承受的压力较小，依然保持着液态。
地球和它的邻居们几乎由相同的物质同时形成，但是它们之间还是有明显区别的。
在地球结构分层的伊始，地核被厚厚的岩浆海所包围。在此后的4亿年里，随着温度较低的轻物质与重物质的进一步分离，地幔和地壳也逐渐形成了。在地球结构分化的同时，大量微行星继续坠入岩浆海，这一过程使地球的温度进一步升高。
太阳系大家庭
太阳就是一个巨大的核反应堆。太阳内部的核聚变将氢转化为氦，同时释放出巨大的能量。在太阳表面，带电物质的喷发可以形成耀斑（左图）。而其他带电粒子被抛射到空间中，形成太阳风。在太阳系形成之初，太阳风将氢、氦、甲烷、氨和水分子等较轻的物质吹向外层空间，形成了低密度的外行星。而硅酸盐、氧化物和金属等重物质留在了近日轨道，形成了类地行星。
行星的组成成分能够反映形成它们的气体星云的成分。物质的聚集和轻质量气体的缺失，导致距离太阳较近的内行星由一些重元素（比如硅和金属元素）组成。相反，距离太阳较远的外行星主要由氢和氦等气体组成。内行星的形成大约需要1亿年，这刚好相当于从太阳系形成到月壳形成的时间。在形成过程中，这些行星内部的压力不断增大，温度也随之升高。持续熔化使不同密度的元素彼此分离，重元素下沉，轻元素上升。需要指出的是，与它的3个邻居相比，地球还是有着明显不同的。
水星是体积最小的类地行星（岩态行星），但是因为拥有巨大的铁质核心，它的质量几乎与地球相同。水星的“地核”大小相当于水星半径的75%，质量相当于水星总质量的80%。有证据表明，水星可能曾经遭受过一颗巨大的微行星的撞击，这次撞击剥离了大量的水核及其以外的部分，因此水星的核外圈层相对较薄。水星与月球的体积相当，二者也都是死寂的，几乎没有任何内热和火山活动的迹象。
地球圈层的分化
早期地球上的硅酸盐和金属矿物是均匀混合的。铁和镍逐渐下沉形成了最初的地核，随后被金属氧化物与硅酸盐形成的地幔所包裹。而地壳是由最轻的物质固化形成的。
吸积作用使地球温度升高，呈熔融状态的铁开始下沉形成地核。 
低密度的硅酸盐上升到地表。 
地核、地幔和地壳的分化完成。
太阳系的小天体
陨石可以为我们了解太阳系的年龄和特点提供重要的线索，因此通过陨石研究太阳系的起源可以节省大笔的科研经费。幸运的是，绝大多数陨石的质量都很小。但是几吨重的庞然大物偶尔也会造访地球，比如美国亚利桑那州巨大的陨石坑（直径约为1.2千米，深170米）就是由这样的陨石撞击形成的。根据其中硅酸盐和铁的组成比例，陨石主要分为铁陨石、石陨石和石铁陨石三大类。绝大多数的陨石通过原始行星物质的熔化和重结晶形成。但是，球粒陨石（石陨石的一种）未曾遭受过熔融过程，并且在其内部曾经发现有机物和简单的氨基酸，这些都是形成生命的基本原料。
大质量与小质量的行星
距离太阳最近的4个小质量的行星主要由岩石组成（左图）。金星与地球的大小相仿，而火星和水星则相对较小。地球的天然卫星月球与水星的大小差不多。木星是气态巨行星中体积最大的。距离太阳最远的冥王星[2]与内行星相似，也是由岩石组成的。但是相对于内行星，它的温度更低，并且被甲烷冰晶所覆盖。
[2] 译者注：1930年天文学家克莱德·汤博发现了冥王星，它曾被认为是太阳系九大行星中最小的行星，但因体积小，质量轻，运行轨道不稳定，其行星地位一直有争议。2006年8月24日，在捷克首都布拉格举行的第26届国际天文学联合会通过第五号决议，正式将冥王星从行星当中除名，划为矮行星。
水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星 冥王星
[3] 译者注：液态氢在上百万个标准大气压（1标准大气压=101.325千帕）下可以转变成导电体，由于导电是金属的特性，故称其为金属氢。金属氢是一种简并态物质，是双原子分子H2的同素异形体。
行星内部的结构
行星内部的结构多种多样。由气体构成的外行星的核心大多由硅酸盐和铁组成，而拥有固态表面的内行星的核心主要由铁和镍组成。气态巨行星巨大的体积和质量使它们的引力足以控制住氢、氦等质量最轻的气体，它们在浓密的大气层下以液氢和液氦的形式存在。与木星和土星相比，天王星和海王星的质量较小，因而含有的氢和氦也较少。所有外行星都不具有硅酸盐矿物所组成的“地幔”和“地壳”，这些结构是类地行星所特有的。
火星的体积比水星略大，但它的质量比地球还要小。它的核心要么体积很小，要么密度很低，并且是以冷却的固态形式存在的。这些都与地核的状态有所不同。金星在体积、组成和质量上与地球最为相似。外行星由于质量巨大而形成了强大的引力，以至于连质量最轻的氢和氦都难以摆脱它们的引力的束缚。
与地球相比，水星、金星和火星这3个内行星的体积相对较小，因此它们的冷却速度也比地球快得多。在缺少内热和火山活动的情况下，它们无法形成大气，并且相对较小的体积和引力也无法控制住气体和水分的逃逸。地球的体积较大，它的引力足以控制住其内部活动产生的气体和水分。不仅如此，由地外天体裹挟进入地球的水也被保留了下来，它们最终形成了海洋和大气。
要想形成地壳，地球就必须冷却下来——因为只有重熔过程停止，岩石才得以形成。然而，地核从来都是呈部分熔融状态的。
地核的质量约占地球总质量的31%。地震资料显示，地核主要由铁元素组成，可能还包括大约10%的硫黄充当稀释剂。地核分为外核和内核。外核呈熔融状态，厚度大约为2270千米，其密度至少是水的10倍。由于压力的上升，内核以固态形式存在。它的直径大约为2400千米，密度不高于水的13倍（大约相当于水银的密度）。内核中心附近的温度可能超过4000摄氏度，压力相当于400万个标准大气压。如此高的温度是由岩石中放射性元素衰变释放的热量维持的，又因引力压缩而进一步加剧。虽然地核在45亿年前就已经形成，但至今依然源源不断地产生热量，因此放射作用可被看作一个持续性热源。
早期地球由于温度太高而无法形成原地壳。但是随着圈层的分化、降水和表面冷却，地球表面必然一度出现过由矿物晶体组成的晶浆。只要地表维持一个较高的温度，这种晶浆就会再度熔化。但是一旦温度下降，一小片地壳就会形成。这种地壳由硅、铝及其他低熔点轻元素的化合物组成。随着地球圈层的分化，这些轻元素逐渐在地球表层富集。
熔融的地幔
熔融的地幔物质可能有点儿像流动缓慢的绳状熔岩。火山爆发是地幔物质到达地表的直接途径。岩浆房在地壳的薄弱处形成。随着压力的上升，岩浆通过岩层裂隙上涌，然后突然喷发，其结果是喷出的熔岩逐渐冷却、凝固，最终形成火成岩。
现代大陆地壳（又称陆壳）的厚度为30~40千米，而大洋地壳（又称洋壳）则要薄得多，甚至比月球、金星和火星的“地壳”都要薄。在地壳下面，熔融的岩石形成地幔。地幔位于地核与地壳之间，其中重元素的下沉和轻元素的上升至今依然存在。地幔在距地表大约3000千米处包裹着地核。有些时候，熔融的地幔物质也可能通过火山爆发喷出地表。
地球内部构造
地球内部包括很多圈层，从内向外包括地核（又分为内核和外核）、地幔（又分为下地幔和上地幔）和地壳。地核外部是大约2880千米厚的地幔。上地幔顶部与地壳共同组成岩石圈。地壳在大陆以下的厚度约为40千米，在山系以下尤厚，但是在大洋以下只有大约6.4千米厚。
探测地球内部
科学家通过分析地震产生的地震波来研究地球内部的结构。激波从靠近地表的震源向外传播。而体波可以穿过地球内层，它的速度取决于地震的强度和介质的密度。P波是一种压缩波，它的传播速度较快，并且可以在固体和液体介质中传播。S波是剪切波，它的传播速度较慢，并且只能在固体介质中传播。
在距离地面约2900千米的深处，S波消失，P波的速度也大大降低。这里即为下地幔和外地核的交界处。地震学家可以计算地震波通过地球内部到达地球另一端的时间，从而确定地球各个圈层的厚度和密度。
大约38亿年前，地球表面形成并保存了足够的岩石，它们组成了原始大陆的核心。地壳在形成过程中逐渐分化为陆壳和洋壳，二者分别由不同类型的岩石组成。通过这些岩石的类型可以确定地壳的组成成分。为了达到这一目的，地质学家收集和分析来自不同地层的特有岩石并确定其中一些元素的相对丰度，然后计算出这些元素在陆壳和洋壳中的平均丰度，其中就包括氧元素，但是陆壳和洋壳中都不含有比铁更重的元素。
地球的元素组成
地核、地幔和地壳的组成元素不同且厚度迥异。地壳上部的主要成分是二氧化硅和铝（即硅铝层），而地壳下部主要是二氧化硅和镁（即硅镁层）。地幔主要由铁镁矿物组成，而地核几乎全部由铁组成。
地壳的密度大约是水的3倍。陆壳主要由建立在花岗岩（一种火成岩）基底上的沉积岩组成，比如砂岩和石灰岩。而洋壳主要由玄武岩组成（一种基性火成岩）。相对来说，地幔的成分更难以确定，但是对海床、岩浆和金伯利岩（一种岩石）的分析能够获得重要信息。金伯利岩与钻石的勘探紧密相关，这种岩石包括一些破碎的地幔物质，比如丰富的橄榄石、辉石与石榴石等硅酸镁和硅酸铁矿物。钻石是碳在高压状态下形成的一种晶体，含钻石的金伯利岩的矿物组成说明它们形成于地表以下150千米的深处。通过这些研究，人们知道硅和镁是组成上地幔的主要元素。随着深度的增加，上地幔的密度从水密度的3.3倍逐渐增加到3.5倍。
大气圈的演化
最初，地球大气就是氢和氦混合形成的蒸气（）。小行星的撞击驱散了不稳定的气体（）。随着火山喷发和光解作用的出现，次生大气与次生海洋逐渐形成（）。
岩石圈由上地幔顶部和地壳组成，厚度为50~70千米。岩石圈分裂成若干板块，它们“漂浮”在半熔融状态的软流圈[4]上，并随后者的运动而移动。
[4] 译者注：软流圈（asthenosphere）由J. 巴拉鹿于1914年命名，该词来源于希腊语单词asthenēs（weak）与英文单词sphere的组合。它是地幔上部的弱塑性变形区域，位于岩石圈的下面、中间圈的上面。岩石圈与软流圈的边界定义在1300摄氏度等温线，其上的岩石圈为刚性变形，其下的软流圈为黏滞变形。
改变平衡
早期大气中的氢气很快逃逸到宇宙中。随着大约20亿年前低等绿色植物的兴起，大气中的氮气含量稳步上升，而二氧化碳含量逐渐下降。高层大气在太阳紫外线的作用下形成臭氧层。
地球形成之初的环境十分恶劣。它是一个被宇宙大爆炸产生的氢和氦包围的、酷热的甚至是熔融状态的星球，并且这种局面在接下来的5000万年里没有任何变化。但是，导致月球形成的撞击事件将大量地球表层物质抛向外层空间，包括原始地壳、所有的地表水和一部分大气。残存的气体，包括氢气、氮气和二氧化碳，一部分来自原始太阳星云，一部分来自陨石，一部分还可能来自由冰块和气体组成的彗星。需要指出的是，在地球圈层分化和地壳物质重组的过程中，矿物的熔化也释放出部分气体。一开始，这些气体与组成原始地球的其他物质混在一起。然后，引力使大气的成分发生变化，就像引力导致不同的元素形成地壳、地幔和地核一样。
地球的体积是建立和维持大气圈的一个重要因素。小型类地行星具有较小的表面引力，甚至连最重的气体都能发生逃逸。地球的引力可以控制住一些较重的气体，因此原始的大气可能包括二氧化碳、氮气和水蒸气等。而一些较轻的气体，比如氢气和氦气等则可能在太阳风的作用下发生逃逸。氧气在这个时期是不存在的，因为所有氧气在释放出来的瞬间都会与地球表面易被氧化的矿物发生反应。
火山活动释放出水蒸气，继而冷凝形成降水，降水受热再度蒸发，这些过程循环往复。在最早的几亿年里，地球原始大气的成分很可能与火山喷发时产生的气体成分没什么两样。然而随着地球表面的冷却和稳定，大气中的水蒸气逐渐被太阳光中的紫外线分解为氢气和氧气。氢气相对来说更容易逃逸到宇宙中，而积累下来的氧气则不断地改变着大气层的组分，而这一重要的过程一定是在臭氧层形成之前发生的。
这一时期形成的几种特殊岩石见证了大气缺氧的那段历史。比如，燧石（又称打火石）是一种在酸性缺氧环境中形成的坚硬的沉积岩，而地球早期就曾经具有这样的环境。另一种岩石叫作条状铁石，其交替出现的灰色和赭石色条纹记录了大气含氧量由低（灰色）到高（赭石色）的波动过程。但是到了大约18亿年前，所有新形成的含铁沉积物全部变成了赭石色，说明氧气在这一时期开始出现。不仅如此，页岩和砂岩也在这一时期出现了。这两种岩石都是通过风化作用产生的，而风化作用在没有大气圈的情况下也是不可能出现的。同样，碱性的白云岩和石灰岩的出现说明大气层因为二氧化碳浓度的降低而逐渐趋于中性。
大气圈中的二氧化碳含量逐渐降低，氧气含量不断增加，而古老的岩石是这一过程的忠实记录者。
科学家推测，电离风暴、冰川作用和岩浆运动的共同作用促使生命形成所必需的化学物质形成。富氧的大气很可能抑制这些化学物质的形成，但是接下来的变化再一次对地球的命运起到了至关重要的作用。第一个生命体一旦出现，一系列不可逆的事件就会发生。各种细菌和后来出现的绿色植物通过同化作用产生氧气，进而改变了我们的世界。因此，直到25亿年前元古宙开始时，大气的成分才变成今天的样子，其中氮气约占总体积的78%，氧气约占21%，而二氧化碳仅占1%。
大气圈就像一枚薄薄的信封
大气圈是一个仅能允许部分光和热穿透的气体层，厚度约为700千米（对页下图）。由于气压随着海拔的增加而快速下降，因此整个大气圈3/4的质量都集中在距地表8千米的范围内。
大气圈的结构
大气圈中不同层次的温度差异很大，比如中间层顶部的温度只有零下90摄氏度，而电离层顶部的温度陡然上升到了1300摄氏度（右图）。天气变化过程主要发生在大气圈底部的对流层，在此之上的平流层富含臭氧，能够阻挡大部分未被电离层反射的紫外线。如果没有平流层，地球可能瞬间变得酷热难耐。
随着地球的逐渐冷却，空气中的水蒸气开始凝结形成雨滴降落到地表。虽然一开始，降水在接触炽热地表的瞬间就会被重新蒸发，但是这个过程无形中降低了地球表面的温度，因此一小块地壳很可能就此形成。之后，陨石撞击和火山活动产生的水与大气降水最终汇聚成了湖泊和海洋。
虽然早期的海水主要由大气降水形成，但其中也不乏火山喷发和陨石撞击所产生的水分。当大气中二氧化碳的含量依然很高的时候，大气降水和海水较现在都更偏酸性。它们与岩石发生化学反应溶出的钙盐和镁盐最终汇入海洋，并逐步建立了早期海洋的化学环境。科学家认为，40亿年以来海水的化学成分几乎没有发生太大的变化。如今，海水中可溶性盐类的平均浓度为3.5%，其中绝大部分是氯化钠，除此之外主要是钙盐和镁盐。地球内部源源不断地产生热量，其形成的热流及与之相关的火山活动都是板块演化的重要因素。地球内部的诸多活动（比如一些重元素的放射线衰变）都可以产生热量，然后通过简单的方式向上和向外传导。这一传导过程在地壳中非常典型，地球内部产生的热量正是通过冰冷坚硬的岩石传导到大气中的。
推动板块运动的力量
地壳应力可以引起地表岩石的褶皱和破裂，进而诱发地震和火山活动。如果应力继续累积，那么可以推动整块大陆运动。地壳由许多巨大的板块组成。对流运动推动呈熔融状态的地幔物质向上流动，并在到达地壳之前再度冷却下沉。在岩石圈以下，岩浆活动推动板块漂移。在板块分离处（生长型板块边界），涌出的岩浆形成年轻的地壳。而在板块汇聚处（破坏型板块边界），地壳发生俯冲和回收。这种巨大的力量正是促使高山和洋中脊形成的因素。
地震资料显示，岩石圈（包括地壳和上地幔）下部的软流层有一部分呈熔融状态。地表200千米以下的地幔是固态的，其温度约为1500摄氏度，但是到了大约2900千米的地幔与地核的交界处，温度陡然超过3900摄氏度。地震资料还显示，随着深度的增加，压力逐渐升高，原子堆积也变得越来越紧密。正是这样的高压和高密度阻止了地球内部的极热区变成沸泉。
固态物质在高温和高压状态下熔化后可以产生缓慢的对流运动，并且温度和压力越高，对流就越显著。向上运动的地幔物质遇到组成岩石圈的坚硬板块时会向四周分流，这一过程在地球内部形成无数岩浆对流小室。这些小室及其内部的各层对流都会影响地幔的状态。因此，地幔物质的对流就像一台巨大的发动机，推动了板块的水平转动。这种运动是引起大陆漂移的主要因素，表现为大陆在地球表面缓慢而持续的移动。换句话说，板块漂浮在呈熔融状态的地幔上。
地震、火山活动和造山运动只发生在板块运动的活跃地带。如果地球上的每一个角落都是板块运动的活跃地带的话，那么所有的大陆和岩石都将不复存在。
如今，地球上除了七大板块以外还有很多较小的板块，它们都围绕各自的欧拉极[5]（一根通过地心的假想旋转轴）与地面的交点进行旋转。因而相邻板块在水平滑动处的旋转角速度较小，而在相背运动的洋中脊处的旋转角速度较大。前者即为板块的转换边界，而后者则为海底扩张的地带（离散边界）。北美洲太平洋沿岸的圣安的列亚斯断层就是转换边界的代表，而大西洋洋中脊则是一个离散边界，非洲板块和南美洲板块在这里彼此缓慢分离。
[5] 译者注：欧拉极又称扩展极或转动极。瑞士数学家欧拉提出，一个刚体沿球面的运动应是环绕过球心的轴的旋转运动。刚体板块沿地球表面的运动也遵循这一原理，即必定围绕通过地心的轴旋转。正因为如此，板块上不同位置的线速度随着与欧拉极的距离的增大而增大。
板块边界的另一个主要类型是汇聚边界，表现为一个板块俯冲到另一板块之下，因此也被称作俯冲带。在这个过程中，下沉板块俯冲进入炽热的地幔并再度熔化。深海沟一般都是在俯冲带附近形成的，它与深源地震和火山活动密切相关。
海底结构
地球上的板块此消彼长，循环往复。地幔物质在以洋中脊为代表的离散边界处涌出形成新的岩石圈（上图），而岩石圈则在以山脉和海沟为标志的汇聚边界再度俯冲进入地幔，因此地震和火山活动在这些区域不足为奇。
如今，地质学家能够利用卫星来监测板块在地球表面小至1厘米的微小位移。虽然古代板块的漂移过程并没有被很好地记录下来，但是地磁场倒转和化石记录都能为海底年龄和两块大陆曾经相连的历史提供佐证。以铁元素为主要成分的液态外地核在对流过程中会产生电流，这不仅是地磁场产生的主要原因，而且是每隔50万年发生一次地磁倒转的主要原因。洋中脊处的年轻岩石记录了其形成时地磁场的方向，科学家正是通过对比地磁数据发现了地磁倒转的现象。因此，板块边界处呈明显的条带状分布的地磁场被认为是一种海底异常，这种分布方式能够用于建立详细的磁性地层序列。
并不是所有的火山活动都发生在洋中脊和板块边缘地带，板块内部的热点和熔岩高原也都是地幔物质活动的产物——它们都是由规模巨大的溢流玄武岩组成的。热点和熔岩高原的出现说明，庞大地幔羽的形成与地幔物质的对流息息相关。印度的德干高原就是熔岩高原的一个代表，它形成于白垩纪末期，厚度在1000米左右。
火成岩、沉积岩和变质岩这3种岩石的循环往复，展现了地球上岩石的形成过程。
地壳由岩石组成，而岩石是矿物的集合。无论产自何处，每种矿物都是天然形成的具有相同化学组分的化合物（有时是元素单质），而每种岩石则包含一种或多种矿物，其成分可能会因形成条件的不同而有所差异。因此，我们把石英叫作一种矿物，而花岗岩是由多种矿物组成的岩石，这就是矿物和岩石概念的区别。根据形成方式的不同，地球上的岩石主要分为三大类，即火成岩、沉积岩和变质岩。岩浆要么从地壳的裂缝中涌出，要么通过火山喷发的方式喷出地表。这些涌出或喷出的岩浆逐渐冷却、结晶，即形成了火成岩。晶体的大小完全取决于岩浆的温度以及结晶的速度。地质学家把地球上最早的晶质火成岩叫作原生岩，包括玄武岩和其他细晶火成岩。而粗晶火成岩则主要形成于低温和较厚的地壳中，其中不同矿物的组分反映了不同的结晶温度。早期地壳可能仅由火成岩组成。
最初，裸露在地表的这些火成岩在风、雨以及其他物理因素的作用下风化并产生矿物碎屑。这些碎屑矿物胶结形成了最初的砂岩、砾石和滨岸砾岩。而被水流冲走的细小颗粒会在某个地方沉积下来，通过压实作用形成各种沉积岩，比如页岩、石灰岩和砂岩。
如果沉积岩被埋藏在很深的地下，高温和高压则会逐渐使它们形成变质岩。沉积岩与炽热的火成岩相接触可以形成变质岩。当熔融的岩浆流入沉积岩层中时发生的热接触变质作用称为侵入作用。烘烤、熔化、挤压和断裂等变质作用可以形成不同类型的变质岩，范围从变质程度较轻的板岩直到深度变质的片岩和片麻岩。变质程度可以用来衡量形变的强度或者烘烤的温度，变质程度越深，说明导致变质作用的温度或者压力越高。风化作用和侵蚀作用亦可以使变质岩再次转变为沉积岩。这样，3种岩石的类型相互转变，周而复始。
岩石类型的转变并非总是遵循某一严格的顺序，有时也会被打乱。例如，火成岩如果不喷出地表而只是被埋在地层深处，那么它很可能在板块运动产生的热量和压力的作用下直接转变为变质岩。
现代大陆内部的克拉通（地盾）正是由古老的变质岩组成的。古大陆的缝合和洋壳的消减形成了山系。小溪变成大河，冰雪汇成冰川，湖泊形成内海，所有这些变化都会将高山上岩石风化形成的碎屑带走。最初形成的沉积岩富含长石等硅质矿物，而黏土矿物是后来才开始出现的。由于剧烈的火山活动和频繁的岩石消长，最初形成的沉积岩并没有保存至今。晚期形成的沉积岩大约占据地表可见岩石的70%，正是这些岩石不断地被风化和侵蚀，并且与空气、水和有机物经历数百万年的相互作用，才最终形成了土壤。
岩石循环
右图展示的是各种类型的岩石相互转换的过程。岩浆冷却结晶形成的火成岩，可以通过风化、搬运、胶结等一系列过程形成沉积岩。沉积岩在高温和高压的作用下可以转变为变质岩，也可以再度熔化形成岩浆。
在地质学界有这样一种说法，即“现在是通往过去的一把钥匙”。这句话的意思是说一些基本的地质现象在过去和现在并没有太大的区别，比如河床中泥沙的沉积过程和冰川产生冰碛物的过程。通过对现代地质现象的研究，地质学家也可以了解地史时期各种地质现象发生的过程。这就是所谓的“均变论”，它是地质学家研究地球历史的法宝。
地质过程
岩石的形成与破坏是一个循环过程。地表的岩石风化形成的碎屑通过搬运、沉积、压实等一系列过程形成沉积岩。岩层可以发生抬升而被再次剥蚀，也可以在高温或高压的条件下形成变质岩，还可以在地球深部重新熔融形成火成岩。
角砾岩 礁灰岩 岩盐 砂岩 浊积岩 片麻岩 浮石 玄武岩 花岗岩
沉积岩
沉积岩是通过水流和冰川产生的沉积物与空气中的颗粒胶结形成的，比如石灰岩和砂岩等。沉积岩在水中和陆地上都可以形成。
变质岩
变质岩是岩石在极高的温度和压力下发生重结晶而形成的，比如片麻岩。变质作用通常发生在地球深部。
火成岩
火成岩是通过岩浆冷却和结晶形成的。喷出地表的岩浆冷却形成喷出岩，而入侵地壳深层的岩浆缓慢冷却则形成深成岩（又叫侵入岩）。
火成岩和变质岩通常形成于地壳深部，因此它们的形成过程研究起来相对困难。沉积岩形成于地表，并且充当了环境记录者的角色。虽然连续的沉积并不多见，但是这样的岩层一旦保存下来，对其形成过程的研究将会变得相对容易。虽然通常情况下新鲜的岩层总是形成于古老岩层之上，但是某一时期的地层也会因为侵蚀作用而缺失。因此，如果两套地层之间出现这样的沉积间断，我们就把这两套地层的接触关系叫作不整合。地壳运动也会使原来水平沉积的地层发生倾斜，有时还会导致地层出现褶皱。在褶皱被夷平之后，还可能形成新的上覆岩层。在这种情况下，新、老两套岩层之间存在一个角度，这样的接触关系叫作角度不整合。如果在下伏地层的侵蚀面上形成产状一致的上覆岩层，这样的接触关系称为假整合。而如果新形成的沉积岩覆盖在火成岩或变质岩基底之上，这样的不整合关系称为非整合。
要想清楚地了解一套岩层的历史并不容易，因为岩层本来就是不完整的。
岩层中的记录
1500米深的科罗拉多大峡谷是由科罗拉多河切割形成的，展现了一幅壮丽的地质画卷。大峡谷崖壁出露的岩层时间跨度很大，其中最古老的可以追溯到22亿年前。它们形成于浅水环境中，并在之后的造山运动中被琐罗亚斯德花岗岩体侵入，受热变质形成毗湿奴片岩。之后，岩层进一步受到剥蚀并被熔岩流和沉积岩覆盖，且在与上覆的古生代地层之间形成巨大的不整合接触。
岩石的相对年龄
岩石相对年龄的确定主要基于尼古拉斯·斯坦诺于1669年提出的地层叠覆律，即在未经扰动的沉积顺序中，上覆岩层永远比下伏岩层古老，而下伏岩层永远比上覆岩层年轻[6]。斯坦诺的另一个贡献是提出了原始水平定律，简述为沉积层在沉积时是水平的或接近水平的。在前两条定律的基础上，斯坦诺提出第三条定律，即原始侧向连续律。这条定律解释了山谷两侧为什么具有相似的地层。
然而，在漫长的地质年代里，地层不可能不被扰动。亿万年来，地表岩层的侵蚀、抬升、破裂、褶皱的形成以及其他岩体的侵入从未间断过，并且这些地质过程一般发生在岩层形成之后（即著名的穿切关系原理）。上、下地层在沉积顺序上连续的接触关系叫作整合，而非连续的接触关系叫作不整合。角度不整合一般是指年轻的水平岩层与倾斜或出现褶皱的老岩层之间的接触。假整合是指年轻的水平岩层与受到剥蚀的、接近水平的老岩层之间的接触。非整合则指的是年轻的水平岩层和下伏变质岩或火成岩基底之间的接触。
[6] 译者注：此处疑为作者笔误。地层叠覆律的正确表述为，在未经扰动的沉积序列中，上覆岩层永远比下伏岩层年轻，而下伏岩层永远比上覆岩层古老，即先形成的岩层总是位于后形成的岩层的下面。
沉积物的叠覆 
变质作用、变形和抬升 
花岗岩侵入体 
下沉并再度接受沉积（页岩） 
剥蚀面形成不整合 
倾斜、抬升并再度剥蚀 
剥蚀面上形成的砂岩沉积 
角度不整合
化石证据
大峡谷中的一些岩层产出相同的化石，这说明它们可能是在同一时期相邻的环境中形成的。比如，寒武纪的一些三叶虫在塔辟砂岩及其上覆的光明天使页岩下部都有产出。
近岸沉积物的相对密度较大，因为这里是陆地表层风化物被流水搬运的最终目的地。在距离海岸越远的地方，陆源沉积物越少，到了洋中脊附近几乎看不到任何陆源沉积物的踪迹。海平面也会周期性地上涨淹没陆地，这个过程叫作海侵，这个时候海洋沉积物也会覆盖在陆源沉积物之上。巨厚的岩层可能代表数百万年来的沉积。当侵蚀作用出现的时候，沉积即发生间断，在岩层上则表现为不整合面。
每一层沉积岩都有自己独特的颜色、粒度、矿物组成和结构，也可能含有这一时期这一地点特有的标志性化石。粗砾岩的出现往往指示着不整合面的存在，也是海平面上涨的一个重要标志。因此，不整合面指示了老岩层剥蚀和新岩层沉积的过程；并且，由于沉积环境的不同，老岩层在水平方向上的岩石类型可能有很大差异。比如，在陆地或滨岸地带发生侵蚀作用的同时，沉积可能正在离岸地带发生。
美国亚利桑那州的大峡谷是世界上最壮观的裸露地层之一。20亿年前的造山运动形成的火成岩和变质岩组成了峡谷的底部。直到大约700万年前，当科罗拉多河的冰川融水切开峡谷时，这些岩层才展现在我们眼前。
难以磨灭的化石
古代动物和植物的遗骸保存在岩层中，经过矿化形成化石。纵然经历了亿万年的风雨，它们依然坚硬。有些化石甚至比围岩还要坚硬，以至于在围岩被风化后可以得到保存较好的三维化石。上图所示的腕足类化石就是例子。
海岸线的变迁
一套岩层的上、下界线年代是不同的。寒武纪时期，塔辟砂岩沿着北美洲西海岸沉积。随着海平面的上涨，海岸线在原来的基础上向东扩展，海相沉积覆盖在原来的滨岸沉积物上，这个过程叫作海侵。
褶皱和断层可以使正常的沉积岩层序完全倒转。褶皱和断层有多种类型。向上隆起的岩层顶部被夷平，会形成中间古老、两侧年轻的地层排列方式，这样的褶皱叫作背斜。而向下弯曲的褶皱顶部被夷平，会形成中间年轻、两侧古老的地层排列方式，这样的褶皱叫作向斜。如果褶皱的轴面和枢纽都接近水平，这样的褶皱叫作平卧褶皱。当地壳中大块的岩石发生位移时就会形成断层。和褶皱一样，断层也分为很多不同的类型。其中，上盘沿断面向下运动形成的断层叫作正断层，而上盘沿断面向上运动形成的断层则称为逆断层或冲断层。有时，断层两侧的岩石也会发生水平运动，形成走滑断层。当褶皱和断层遭受侵蚀后，就会展现出明显异常的岩层顺序。
化石的地史分布
右图展示的是一些常见的无脊椎动物化石的地史分布。左边的4个类群一直延续到现代，而三叶虫则在二叠纪完全灭绝。每个类群图示的宽度代表该类群在那个时代的繁盛程度，图示越宽，代表这个类群在那个时代越繁盛。灰色区域表示该类化石在这个时代可被用作确定地层年代的标准化石。
在过去的20年里，研究碳氢化合物的沉积学家和地层学家逐渐意识到不整合面和海平面变化在地层学研究中起到了非常重要的作用，并且据此发展出一套精细的研究理论，即层序地层学。该理论将新地层覆盖在老地层以上作为基本的地层层序。连续的地层有它自身的特点，并且地层序列之间都是由不整合面分割的。岩层层序和不整合面一样，实际上都是时间的量度。但是，岩层层序和不整合面只能反映相对的时间量度，因为我们并不知道岩石的绝对年龄，也不知道一套岩层的形成究竟经历了多长时间。岩层之间的对比只能反映哪层比哪层更古老。
地质学家从19世纪开始汇总整理地球历史的地层记录。
地质学家首先将岩层划分为不同的层或组，并赋予不同的名字。比如，苏格兰的老红砂岩（18世纪90年代确定）这个名字不仅能反映这个特定岩层的基本属性和出露位置，还能反映它与其他岩层的相对位置关系。绝大多数这样的地层单元都裸露于地表，有的还形成了壮美的地质奇观。接下来，地质学家要用同样的方法对地下的岩层进行划分，并且根据产出的化石确定每一层的年代，进而形成一个系统的地质年代表。
丹麦人尼古拉斯•斯坦诺和英国测量员威廉•史密斯是相对地质年代理论的奠基人。斯坦诺提出了地层的叠覆律，认为在正常的沉积岩层序中上覆岩层永远比下伏岩层年轻，即先形成的岩层总是位于后形成岩层下面。史密斯则是第一个根据岩层中的化石来确定地层顺序的人，他认为产出相同化石的岩层具有相同的时代，并且地层的新老关系可以通过其中产出的不同类型的化石确定。这样，地层的相对年龄就可以确定，并且全世界同时代的地层也可以相互对比。从此，化石就成为地层学研究的重要工具之一。
利用这一手段，地质学家将得到的信息汇总成一幅地层柱状图，并最终形成完整的地质年代表。这张地质年代表将地球历史分为3个主要时期：太古宙、元古宙和显生宙。地球历史的最初20.5亿年属于太古宙[7]，这一时期形成的沉积岩大都遭到破坏，只有少量保存至今。不仅如此，这一时期的化石也十分稀少，即使有也是简单的单细胞生物。元古宙距今25亿~5.45亿年，这一时期地球逐渐稳定，多细胞生物开始出现。而从距今5.45亿年至今都属于显生宙，这一时期又进一步细分为古生代（距今5.45亿~2.48亿年）、中生代（距今2.48亿~6500万年）和新生代（6500万年前至今）。显生宙的生物化石非常丰富，因此人们对这一时期生命演化过程的了解也比其他时期更加清楚。
[7] 译者注：不同的文献有不同的划分方式，除上述3个时期以外，一般将距今46亿~40亿年这一阶段称为冥古宙。
标准化石
根据原生标准化石可以确定一套地层的年龄。标准化石具有分布广、数量多、易辨认以及仅在某一特定时代的地层中产出的特点。如果两个地点的岩层产出相同的标准化石，这两套地层可以确定为同一年代。如果两种以上的标准化石同时出现，地层的年代可以确定得更加精确。例如，三叶虫（Shumardia pusilla）和腹足类（Cyclonema longstaffae）的延续时代在奥陶纪末期有短暂重合（图
），那么另一套包含这两个物种的地层的时代就可以确定为奥陶纪末期，即距今4.48亿~4.42亿年（图
）。
从不稳定到稳定
放射性同位素是不稳定的，它们能够从不稳定的原子核内部自发地放出粒子或射线，同时释放出能量，从而达到稳定状态。铀-238（238U）衰变产生α粒子（即氦原子核，由两个质子和两个中子组成，相对原子量为4）形成钍-234（234Th），而后者依然是不稳定的同位素，它可以继续衰变，形成稳定的铅-206（206Pb）。因此，我们说206Pb是238U的子元素。
放射性时钟
半衰期是指放射性同位素的原子核有半数发生衰变所需要的时间。比如，238U衰变为206Pb的半衰期约为45亿年，科学家通过计算岩石中这两种同位素的比例，即可得到岩石形成的时间。
岩石还具有磁性特征
地球的南北磁极会周期性地发生倒转。在岩石形成的过程中，磁性矿物会像指南针一样按照地磁场的方向有序排列。因此，根据地磁正（深色）、负（浅色）极性转换序列就可以在世界范围内测定这些岩石的年龄。
只有使用放射性同位素测年等绝对年代测定方法才能使地质年代表准确可靠。放射性同位素测年的应用是在安东尼•亨利•贝克勒尔发现放射性同位素衰变之后逐渐兴起的。比如，放射性同位素铀-235（235U）和钍-232（232Th）可以分别衰变成铅-207（207Pb）和铅-208（208Pb）。235U衰变为207Pb的半衰期为7.13亿年，而232Th衰变为208Pb的半衰期为141亿年。也就是说，每经历这样的周期就会有一半的初始元素衰变形成新的元素。原子核的衰变周期是恒定的，每经历7.13亿年误差仅为±1400万年。不同半衰期的放射性同位素可以用来测定不同时代的岩石，比如碳-14（14C，半衰期为5730年）仅能用于测量年轻岩石的年龄，其测量上限不超过7.5万年。
放射性同位素的发现和技术进步催生了岩石绝对年龄测定方法。
然而，放射性同位素测年法并不能解决地质年代表中涉及的每个问题。这种方法对于测定火成岩的年代很适用，因为火成岩中的矿物差不多都是同时形成的。但是对于沉积岩来说，放射性同位素测年法表现出很大的局限性。从本质上说，沉积岩中的矿物来自不同年代形成的各种岩石，因此用放射性同位素测年法测沉积岩的年龄时会不准确。因此，地层学家必须利用穿插在沉积岩中的火成岩建立区域性的年代框架，以确定某一特定沉积岩层的绝对年代。
尽管保存形式多种多样，但化石的形成必须经过生物的死亡、埋藏和封存等过程。最早形成的化石显然是偶然保存下来的微小生命体，比如封存在硅胶中的微体化石，或是被泥浆或泥沙快速掩埋的水母。不仅快速掩埋可以使生物遗骸免遭食腐动物和自然风化的破坏，缺氧的环境也能抑制遗骸的腐烂和细菌的生长。这些都使化石的形成成为可能。当生命体演化出硬质结构时，它们通常较软体动物更易保存为化石，这也是软体动物在化石记录中相对匮乏的原因。
无脊椎动物化石和脊椎动物化石是绝大多数岩层中的主要化石。这是因为它们的骨骼都是由几丁质、碳酸钙、磷酸钙或二氧化硅等构成的。次生矿物在原有的结构中形成，虽然增加了质量，但保存了所有原有的细微结构。矿物的交代作用可以形成精美的化石，比如黄铁矿化。这些溶解在水中的矿物缓慢地渗入动物的遗骸，并且可以在埋藏过程中的任何时期结晶矿化。
植物和笔石动物（一种具有纤维状骨骼的古生代群居海生动物）可以保存为黑色或银黑色的薄膜状化石。这种黑色物质是一种碳质薄膜，是由动物组织中的有机物蒸馏形成的。有时双壳类动物原来的壳被酸性的液体溶解，仅留下一个由次生矿物充填形成的铸模。如果次生矿物在动物死亡之前就已经充填，那么充填物甚至有可能反映动物内部结构的本来面目。这样的化石叫作内核。
化石的形成过程
脊椎动物的肉体部分在死后很快就会腐烂或者被其他动物吃掉，而骨骼在腐烂之前得以掩埋。随着时间的推移，次生矿物逐渐渗入骨骼的微小结构中形成化石，这就是脊椎动物大多保存为骨骼化石的原因。之后，地壳运动使化石层裸露出地表，风化作用将亿万年前的生命再度呈现在我们眼前。此外，动物的行迹和蠕虫的掘迹形成的化石叫作遗迹化石。
岩石中的复制品
很多化石并不是真实的远古生物遗骸。举个例子，几百万年前一个海生双壳类动物死后沉到海底，它的软体部分可能很快腐烂或被其他动物吃掉，但是硬壳可能逐渐被沉积物覆盖。随着时间的推移，酸性的液体可能渗入沉积物中，将原来的碳酸钙硬壳溶解，只留下保存较好的三维动物体铸模。溶解在水中的矿物渗入到铸模中，即可结晶形成内模，保存为化石。因此，这样的化石完全是由次生矿物充填的，原先的生物体已经不复存在。
永恒的瞬间
4500万年前的一个水塘逐渐干涸，导致这群鱼儿被永远尘封在岩石中形成化石。
生物体挖掘或钻进沉积物的过程中可能会留下掘迹、行迹或者印痕，形成遗迹化石。如果生物体死在泥潭沼泽或冻土中，哪怕是像猛犸象和人类这样的大家伙，也能像木乃伊一样完整地保存下来。
硬质结构 珊瑚虫：一种具有钙质骨骼的造礁生物。 放射虫：一种具有硅质骨骼的微体浮游生物。 
双壳类：具有碳酸钙成分的坚硬外壳，可以保存为化石，也可以被酸溶解形成铸模。 笔石动物：一种具有有机质骨骼的群居海生动物，黑色页岩中常见。 鲨鱼牙齿：脊椎动物牙齿和骨骼的主要成分都是磷酸盐，这使得它们比其他大多数动物都更耐腐蚀。
遗迹化石 遗迹化石：动物的掘迹、行迹和印痕可以保存在沉积物中形成遗迹化石。
高度矿化 菊石：它的壳已经完全黄铁矿化。 硅化木：原有的植物组织逐渐硅化。 
琥珀：小动物的坟墓。 
炭化叶片：植物叶片形成的碳膜。
虽然今天的地球已不像它最初的几百万年那样混乱，但也远不是平静的。板块运动、侵蚀作用和生命演化依然不断地改变着我们的世界，而人类活动带来的变化则更为快速和剧烈。这种变化继而影响化学循环，即地球表面和内部各种化学平衡的动态变化过程。碳元素是组成生命形式的基本元素之一，它比其他元素更能反映这种变化。
自然界的循环
各种元素和化合物在生命体与非生命的无机环境中的流动组成生物地球化学循环，其中大气圈和水圈（河流和海洋）在各种元素的循环中发挥了重要的作用。
地球上绝大多数碳以二氧化碳的形式存在。在工业革命之前，大气中的二氧化碳主要来自生命体的呼吸作用和分解作用、火山喷发、变质作用以及石灰岩和其他碳酸盐岩的形成过程。从长远来看，这些过程弥补了因光合作用、风化作用、有机物的掩埋等造成的大气中二氧化碳的缺失。
在显生宙（5.45亿年前至今），大气中二氧化碳和氧气含量的波动引起气候变化，这一点能够通过碳的稳定同位素证据加以证明。地球化学家分析石灰岩中的碳同位素组分，并把不同原子量的碳同位素随时间变化的规律标示出来。结果显示，有机物的快速掩埋导致大气和海水中的12C减少，进而导致大气和海水中13C的比例增加。如果以碳同位素含量与时间的对应关系作图，则可以将大气中的二氧化碳含量随时间变化的曲线直观地展示出来。利用同样的方法，也可以分析大气中的氧气含量随时间的变化。
石灰岩地貌
怪石嶙峋的石灰岩地貌是化学风化的结果。大气中的二氧化碳与水汽结合形成的酸雨能够溶解石灰岩中的部分碳酸钙，流失的碳酸钙最终进入海洋，这一过程是碳循环的重要组成部分。
石灰岩的组成
大部分碳酸盐岩石是由海生无脊椎动物体内的碳酸钙结构沉积形成的（对页小图）。比如像有孔虫这样的微体浮游动物从海水中摄取钙质形成壳或“骨骼”，它们死后在海底形成白垩质软泥，最终变成石灰岩。
温度的改变可以直接影响化学循环，比如温度上升导致风化作用加强。而大气中二氧化碳水平的显著升高，会引起降水量增加和化学风化作用的加剧。这些变化反过来降低了大气中的二氧化碳含量，并且有可能导致冰河时期再次到来。
珊瑚、双壳类动物和微体浮游生物可以反映温度的季节性波动，这是因为骨骼中氧-18（18O）和氧-16（16O）的含量可以指示海水温度和咸度的变化。海水中含有16O的水分子比含有18O的水分子更容易蒸发，因此大气降水和地表水中16O的含量会高于18O。从前寒武纪晚期开始，冰川的形成不仅使海平面降低，还冻结了大量富含16O的地表水。因此，冰河时期的海水比任何时候都更富含18O。
这些变化都是化学循环的直观反映。这些化学循环之间相互依存、彼此偶联，并且波动和平静总是周期性地交替出现。
在宇宙中，地球上的生命可能是独一无二的。然而，生命在地球上的出现可能并非偶然。如果地球的质量再大一些，大气就会更加稠密，以致太阳光可能无法穿透，光合作用（绿色植物同化作用的一种）也就无法进行。然而，如果地球的质量很小，大气就可能逃逸到宇宙中，也不会有氧气存在（虽然氧气是地球上大多数生命体所必需的，但是它很可能抑制了最初生命体的出现，因为氧化作用可能破坏最初的生命体结构）。由于海水蒸发到太空中，地球上也不会出现海洋。地球上适宜的温度决定了液态水的存在，这对于生命的出现也是至关重要的。
所有的生命体都是由相同的基本构件构成的。最先出现的是氨基酸，它是一类由碳、氢、氧、氮组成的水溶性有机物。氨基酸进而形成蛋白质，它是所有生命形式的物质基础。
关键词
氨基酸、大爆炸、碳、燧石、染色体、蓝细菌、DNA、原核生物、演化、基因、自然选择、光合作用、真核生物、蛋白质
参考章节
地球的起源及其自然环境：大爆炸、早期大气层
太古宙：黑烟囱、最初的生命形式、绿岩带、光合作用
二叠纪：大灭绝
生命很可能是在早期地球的风暴中偶然形成的，因为那里并没有自由氧的存在。
1953年，芝加哥大学的两位化学家斯坦利•米勒和哈罗德•尤里设计了一个实验，他们将甲烷、氢气、氨气和水蒸气混合来模拟早期地球大气的成分，并通过电极放电模拟自然界的闪电作用于混合气体，最终得到了4种氨基酸——它们都是构成蛋白质的基本单位。随后米勒和尤里按照同样的思路，又得到了碳水化合物以及组成核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）的核苷酸，而它们都是组成遗传物质的重要原料。
关于生命起源的另一种假说将注意力集中在了地球早期的环境上，认为地球早期的环境必须能够保护原始生命免受紫外线照射和氧化作用的伤害。这种环境包括间歇泉、火山泥浆池和深海。如今，人类在洋中脊附近发现了大量“黑烟囱”——它们是从洋中脊裂谷处喷涌而出的富含矿物质的深海热液流。尽管“黑烟囱”附近的水温和压力都很高，但这里依然有生物生存。从一些生活在“黑烟囱”附近的蠕虫和其他耐热生物中提取到的DNA说明，生命很可能起源于这样的环境中。
还有一种说法，认为在地外空间中，早期太阳星云的冰冻碎片中可能存在着形成生命体的原始化学物质。如果这些推测能够得到验证的话，那么地球上的生命就很可能来自地外。虽然很多碳质陨石含有类似于氨基酸的化合物，但是地球早期大气中的氧很可能将任何来自地外的早期生命形式扼杀在摇篮中。
生命真的起源于这里吗
间歇泉为生命起源提供了理想的环境。它像一锅富含矿物质的“原始汤”，保护原始生命体免受氧化作用和紫外线电离作用的损伤。如今，一些古老的细菌种类依然可以在热泉、泥浆池以及动物的消化道等缺氧的环境中生活。
演化不是一蹴而就的
起初，生命的演化是极其缓慢的。大爆炸产生了生命起源所需的所有元素，但是像氨基酸、RNA和DNA这样复杂的生物大分子可能到晚些时候才形成。最古老的细菌出现在距今38亿~35亿年，而第一个后生动物则是直到10亿年前才出现的。生命起源于海洋，陆生植物直到4.5亿年前才出现，而陆生动物出现的时代要更晚。后生动物的繁盛始于大约5.45亿年前的寒武纪“生命大爆发”。虽然历次大灭绝事件将数不清的物种从地球上抹去，但是新的物种很快就占领了它们的生态位，生命的演化就这样永不停息。
无论生命是如何起源的，化石证据显示地球上的生命至少存在了35亿年。这些证据包括在澳洲西部和非洲南部富含硅质的燧石中发现的蓝细菌（原名蓝绿藻），以及在南非巴伯顿绿岩带中发现的与现代蓝细菌类似的微体化石，它们都是已知最古老的单细胞生物。多细胞生物与蓝细菌几乎在同一时期出现，说明生命的演化早已开始。
最早的细菌很可能是厌氧的，后来出现的生命能够进行光合作用并产生氧气，进而改变了世界。
蓝细菌能够进行光合作用，即利用太阳的光能制造自身需要的能量、物质并释放氧气。在格陵兰发现的有机物证明这样的过程早在38亿年前就出现了。如果真是这样的话，那么最早的生命很可能比我们想象的更加古老。最早出现的细菌是古细菌，它们不仅是厌氧的，而且无法进行光合作用，只能通过其他方式来获取能量。
突变
基因突变造成对页上图中右侧的果蝇眼睛较左侧的小，而且更不规则。所有突变都是由DNA复制过程中的差错造成的。大多数突变都是中性的，只有少数是有害的。其中有害的突变会被自然选择所淘汰，而中性的突变则主要发生在DNA的非编码区，或者发生在不影响蛋白质结构和功能的编码区域。
为生命编码
DNA以染色体的形式存在（右图），染色体是由DNA双螺旋结构围绕一种特殊的蛋白质形成的，它是遗传物质的载体。具有遗传效应的DNA片段叫作基因，每一段基因都能编码一段特殊的氨基酸序列（氨基酸是组成蛋白质的基本单位）。在有性生殖中，亲代的染色体通过复制和分裂传递给子代，如右图所示。如果亲代的两套染色体加倍后只进行有丝分裂，那么子代中的染色体数量就会加倍。因此，只有通过减数分裂才能使子代染色体的数量与亲代的完全一致。来自亲代的两套染色体两两配对，从而增加了遗传的多样性。
染色体螺旋化以便最大限度地节省空间。 碱基互补配对。 
在通常情况下，腺嘌呤与胸腺嘧啶组成一个碱基对，而鸟嘌呤与胞嘧啶组成一个碱基对。 
五碳糖和磷酸基团组成分子链。 
碱基对组成“梯子”的“阶蹬”。 
DNA双链解旋，并以其中一条链为模板进行自我复制。 
DNA双链可以根据需要自由地分裂和配对。
完美的分裂
所有生命体的繁殖都是通过细胞分裂完成的（左下图），而有性生殖所采取的减数分裂更有利于生物的生存。在有性生殖中，两个亲代各有一套遗传物质遗传给子代，其中任何一个都可能在完全不同的环境中发挥优势，大大增加了子代存活的可能性。
DNA双链解旋
如下图所示， DNA在自我复制之前先要解旋，即碱基对之间的氢键发生断裂，形成由游离碱基、脱氧核糖和磷酸基团组成的半个“软梯”。游离的脱氧核糖核苷酸与DNA单链中游离的碱基互补配对，形成两条完全一样的双链DNA分子。
碱基的突变
如左图所示，胞嘧啶与腺嘌呤互补配对形成一个点突变，一个多余的胞嘧啶的随机插入形成插入突变，一个与鸟苷酸互补配对的胞嘧啶缺失形成缺失突变。
生命之梯
如上图和下图所示，DNA的双螺旋结构就像一个处于缠绕状态的“软梯”，磷酸基团和脱氧核糖组成两侧的“扶手”，中间是由碱基互补配对形成的“阶蹬”。碱基之间形成的氢键将DNA双链紧密地结合在一起。在正常的DNA分子中，除了胸腺嘧啶-腺嘌呤和胞嘧啶-鸟嘌呤这两种碱基互补配对方式外，其他的碱基配对方式都属于突变。
光合细菌的出现使大气中的氧气含量逐步上升，进而显著地改变了地球早期的大气成分。其他细菌能够利用氧气并通过有氧呼吸作用释放能量来满足自身的需要。这种获取能量的方式较古细菌更为有效，使得这些细菌开始迅速繁殖并变得多样化。当古细菌还在深海、湖泊或泥淖中安静生活的时候，这些更高级的细菌已经开始统治这个年轻的星球了。
细菌具有巨大的演化潜能：它们的生命周期很短，并且以DNA作为遗传物质，在紫外线的照射下可以发生很多变异。
古细菌和真细菌都属于原核生物，它们是一类没有细胞核且DNA不以染色体形式存在的单细胞生物。与原核生物不同的是，真核生物具有典型的细胞核结构，它们的DNA是以染色体的形式存在的，并且具有各种细胞器结构。今天，地球上除了原核生物以外的其他生物都属于真核生物[8]，它们演化形成了更为复杂的生命形式。
[8] 译者注：这种说法并不准确，以病毒为代表的一些生物既不属于原核生物又不属于真核生物。
真核生物与原核生物在营养方式和繁殖方式上都有很大不同。叶绿体（绿色植物光合作用的主要场所）和线粒体（高等生物细胞有氧呼吸的主要场所）的出现使得真核生物比原核生物能够更加有效地利用能量。早期的生物体进行的是无性生殖，它们通过简单的分裂来实现自我复制。生殖细胞的出现是生物演化历史上又一次重要的革命。有性生殖是一种更为强大的生殖方式，它能够将双亲的遗传物质重组并传给下一代。一个种群中所有个体的基因的总和称为基因库。在一个庞大的种群中，基因库的多样性更为丰富，并且亲代的遗传物质可以有数不清的排列组合方式，这也可以解释为什么人类的面孔存在着巨大差异。更重要的是，遗传物质经过数代的不断重组将会产生长久的改变，从而更加有利于生物适应周围的生存环境。
早在19世纪现代自然科学研究起步之前，人们就已经注意到生命形式的多样化程度之高简直令人难以置信。奥地利生物学家、修道士格里格•孟德尔通过豌豆实验发现了遗传法则。1865年，他在一种自然历史杂志上发表的研究成果首次阐述了承载生物自然特征的物质（现在称为基因）从亲代传给子代的现象。孟德尔发现，亲代可以将这些物质完整地传递给子代，但是并非所有的特征在每一子代中都能观察到，有些特征绝大多数时候是不表现出来的。他把频繁可见的特征称为显性性状，而将未表现的特征称为隐性性状。但是，孟德尔的研究成果一直没有引起人们的注意。直到1900年遗传学家再次读到他的论文时，他的成果才得到了广泛的接受。
20世纪上半叶，细胞生物学家发现基因在细胞核内形成线性的染色体。每套染色体组都包括特定数量的染色体，并且就像成对出现的基因一样，染色体组也是成对出现的。从本质上来说，每条染色体就是一条长链DNA分子，它的形状就像高度螺旋化的“软梯”，由磷酸基团和脱氧核糖组成的分子链是软梯的“扶手”，被中间由碱基互补配对形成的“阶蹬”分隔在左右两侧。其中，半个“阶蹬”作为一个变换单位，其碱基组合的方式千变万化，无穷无尽。而遗传信息就是蕴藏在不同排列组合的“阶蹬”中世代相传的。
孟德尔通过豌豆实验发现了遗传法则，该法则适用于所有生物。
DNA的中文全称叫作脱氧核糖核酸，它是一种由磷酸、脱氧核糖和含氮碱基组成的化合物。科学家推测，DNA很可能是在太古宙早期由RNA突变产生的。RNA是单链核酸，能够转录DNA编码的遗传信息并转运氨基酸。RNA被认为存在于大多数最古老的生命形式中，并在很早以前通过某些方式转变为DNA。
基因编码有时会发生突变形成新的蛋白质，如果这些变异传递给子代，很可能逐渐演化出新的物种。
在生命演化的过程中有诸多戏剧性的变化，其中由RNA突变形成DNA的过程可能是最早出现的。如果生物体暴露于紫外线、伽马射线或某些化学物质中，突变就有可能发生。当然，这些物理和化学因素并不是突变发生的必要条件，突变也可以在没有这些因素存在的情况下自然发生。突变可以导致某一遗传信息丢失，发生错误的复制，或插入到非正常的序列中。如果生殖细胞发生突变，无形中就增加了基因库中的变异，将进一步提高物种的多样性水平。一个新的生命形式能否存活下来在很大程度上取决于它所生存的环境。一旦一个生物生存下来，其基因中出现的“错误”也会随着正常的遗传信息一起传给它的下一代。如果这些子代个体也都存活了下来并继续繁衍，那么它们很可能成为这个种群中的优势群体。这样看来，一些个体的遗传密码即使发生极其微小的改变也可能产生巨大而深远的影响。
成功的演化
鲨鱼是游泳健将，流线型身体使它比猎物游得更快，因而得以从泥盆纪延续至今。
趋异演化
虽然人类和蝙蝠都是哺乳动物，但是趋异演化使得二者在形态特征和生活方式上都有很大的差异。人和蝙蝠都具有五指，这是二者具有的共同祖征。所不同的是，人类演化出了具有抓握能力的手，而蝙蝠的五指逐渐演化成了翅膀。我们认为人和蝙蝠的手指是同源的，这是因为它们的功能虽然迥异，但具有相似的结构。鸟类与蝙蝠的亲缘关系较远，但是鸟类的翅膀与蝙蝠的极为相似。这些证据证明了达尔文的理论，即不同的物种完全有可能是由同一祖先演化来的，环境在演化过程中起到了决定性作用。
一群能够相互交配产生可育后代且具有相似遗传性状的生物称为一个物种。在自然界中，绝大多数物种通过产生足够多的后代确保它们当中至少有一些能够发育成熟并有机会交配。某些个体具有天生的优势，比如速度快、身体强壮或其他有利的特点，它们能够更好地适应环境，生存和繁衍的机会也更大。而那些不能很好地适应环境的个体或者物种将很快被环境淘汰。如果一种生物无法适应环境，那就只有走向灭亡，或成为其他物种的盘中餐，或被更加强壮和灵活的个体取代。这就是生物演化所谓的“自然选择”和“适者生存”。
迭代演化
菊石是具有卷曲螺壳的头足类动物，起源于泥盆纪。迭代演化在菊石的演化过程中曾多次出现，表现为发育过程中不同种类的螺壳多次出现类似祖先型的卷曲方式。左图所展示的菊石种类在地史上一直延续到晚白垩世，大约持续了4亿年的时间。
英国伟大的博物学家和作家查尔斯•达尔文第一个找到了物种起源和适应性演化的原因。达尔文的理论是在深刻理解19世纪自然科学基本理论的基础上，通过历时5年（1831~1836年）的环球旅行才逐步形成的。这次环球旅行中的所见所闻，加上在地质学、植物学和动物学方面良好的知识背景，引发了达尔文对物种起源问题的深刻思考。不仅如此，达尔文自己还收集了一系列珍贵的化石，成为支持他的理论的强有力证据。他花了5年时间搜集这些证据，又花了整整25年时间解释这些证据，形成理论并整理成文。
达尔文将生物的演化解释为遗传信息与环境相互作用的结果。他并不是第一个提出进化论的人，但是他是第一个能够用事实证明进化论的人。
1859年，当达尔文的著作《物种起源》出版的时候，所有当时坚信神创论的保守派人士都为之震惊。彼时，一位欧洲的大主教甚至已经将上帝创造世界的时间精确到了公元前4004 年10月23日（星期日）上午9点（著名的法国博物学家布丰曾质疑过这个时间），但是坚不可摧的进化论最终还是由达尔文、法国的博物学家拉马克以及英国博物学家华莱士等人提了出来。
拉马克是一位非常杰出的古生物学家，由于他认为获得性性状是可以遗传的，所以在那个年代经常遭到嘲笑。例如，拉马克认为动物为了获得高处的食物，脖子能够逐渐变长，而这些特征都可以世世代代遗传下去。如今越来越多的发现都支持拉马克的观点。比如，许多刚出生的动物在没有亲代帮助的情况下，天生就具有某些适应复杂环境的能力。这个现象引发了学者更深层次的思考，难道新生动物的某些先天记忆也是一个演化的特征？
华莱士不仅是一个收藏家，也是一位著名的博物学家，他与达尔文几乎在同一时间得出了自然选择导致生物演化的结论。这两位博物学家共同发表了一些研究成果，如果他们没有发表，其他人通过相同的证据也会很快得出同样的结论。尽管如此，最终还是达尔文的《物种起源》奠定了现代进化论的基础。反对达尔文的声音主要是针对人类和猿类拥有相同的祖先的观点。但是，这些反对声与达尔文搜集的证据相比，显得微不足道。
每一个物种都要经历变异、成种、适应性辐射和灭绝这4个阶段。用通俗的话来说，就是一个相对较小的种群产生了能够适应特殊环境的微小变异，最终形成与祖先完全不同的群体，即演化出一个新的物种。有时自然环境的改变形成了地理隔离，将一个种群分成两个或两个以上孤立的小种群，造成种群间无法交配繁殖。经过一段时间，被分开的种群逐渐产生了适应各自环境的变异，如果这些差异足够明显或者造成这些差异的因素持续的时间足够长的话，那么每一个小的种群都将演化为不同的物种。这个过程叫作成种。如果种群的分裂不是由地理隔离造成的，而是种群中的一部分个体迁徙到一个远离种群的地方，这部分迁徙个体也有可能形成新的物种。
趋同演化
狼和林姬鼠都是有胎盘动物，它们分布在除澳大利亚以外的其他大陆上。在澳大利亚，对应它们的分别是袋狼和Dasycerus cristicauda。由于生活环境相似，这两组动物在不同的大陆上独立演化出了相似的外形。
狼（Canis） 袋狼（Thylacinus cynocephalus） 林姬鼠（Apodemus sylvaticus） Dasycerus cristicauda
当一个新的生态位空出的时候，其他物种将会迅速占据它。能够迅速占据该生态位的物种一定是能够快速繁殖并很快适应不同生境的种类。在500万年甚至1000万年以后，当年从老物种分离出来的这个很小的种群可能发展成为一个新物种的优势种群。这个过程叫作适应性辐射。适应性辐射通常发生在占据这一生态位的物种灭绝（通常指一个物种在剧烈的环境变化后突然消失）之后。因此，从一定意义上来说，灭绝反过来也是推动物种演化的动力。
在我们周围，演化的证据比比皆是。除了化石证据以外，通过现生动物形态特征的对比也可以推测出它们的共同祖先。
由同一祖先演化形成适应不同环境的新物种的过程即为趋异演化。但是很多时候，情况恰恰相反：在地理上相隔很远且没有任何亲缘关系的物种经常独立演化出相似的形态特征，以适应相似的生活环境。例如，有袋类哺乳动物如今只生活在澳大利亚大陆，在世界上的其他地区没有发现它们的近亲[9]。但是，袋鼹、袋食蚁兽和袋熊看起来非常像在其他大陆上发现的有胎盘鼹鼠、食蚁兽和土拨鼠。这表明不同的物种在相似的生境中可以独立演化出相似的形态和生活方式，这种现象又叫作趋同演化。
[9] 译者注：这种说法并不准确，一些有袋类还生活在南美洲和东南亚的一些岛屿上。
生境相似的物种总是平行演化，也就是说，如果它们生活在相似的环境中，就会演化出适应相似环境的特征来。比如，晚中新世出现在北美洲和南美洲的单趾马的祖先在晚古新世都是五趾的。由于趾的结构限制了马的奔跑耐力，所以经过长期演化，五趾逐渐减少到一趾。因此，阿根廷的滑距马灭绝了，而真马延续至今。
年轻的物种与它们的祖先相似的情况并不多见，这种现象称为迭代演化。只有在生物的多样化受到限制且环境条件允许的情况下，迭代演化才能够发生。通过化石记录，不仅可以推断出演化的法则或模式，还能够解释为什么物种通过这样的方式演化。例如，海克尔法则指出一个物种胚胎发育的过程可以重演这个物种的演化过程[10]。事实上，鱼、猪、兔子和人类的早期胚胎看起来的确有很多相同点，它们都具有鳃和尾巴。与达尔文同时期的生物学家路易斯•阿加西曾说，他甚至无法分辨一个胚胎究竟属于哺乳动物、鸟类或者爬行类。然而，一些生物的发育省略了其中的某些阶段，因此它们的成体看上去与它们祖先的幼体很相似，这与海克尔定律是相违背的。
[10] 译者注：严格来说，一个物种的胚胎发育过程并不是完全重演系统发育。
食物链的顶端
作为百兽之王，狮子在生态系统中处于食物链的顶端。然而，它们祖先的体型小得可怜。大约5500万年前，一种属于古灵猫亚科的小型树栖动物逐渐朝着两个方向发展，并逐步分化为猫型总科和犬型总科。猫型总科又逐渐分化出獴科、灵猫科、猫科和鬣狗科。猫科起源于大约2000万年前，包括猫亚科、豹亚科及已灭绝的剑齿虎亚科。剑齿虎是中新世陆地上的顶级掠食者，它们主要捕食犀牛和其他大体型的植食性动物。随着草原的扩展，羚羊等小体型的植食性动物出现。猫科动物中随即分化出一支善于捕食体型小巧、行动敏捷的动物的新类群——猎豹。斑马这样的猎物对于剑齿虎来说跑得太快，而对于猎豹来说又过于强壮。于是，在大约60万年前狮子出现了，它填补了这个生态位。
生物分类阶元
狮子属于脊索动物门（具有脊柱或脊柱的前体）哺乳纲（恒温、胎生，且能通过乳腺分泌乳汁哺育幼体）食肉目（肉食性动物）猫科（前足五趾，后足四趾）豹属。
其他定律（比如威利斯顿法则）认为动物体的结构都是由一系列重复的结构单元组成的，比如牙齿和四肢。越低等的动物重复的结构单元数量越多。在演化过程中，重复的结构单元逐渐变少，功能也逐步特化。又如，多洛法则认为在演化过程中退化或者完全消失的器官在以后的演化过程中绝不会再现，而且一旦某个物种灭绝，它们也将永远消失[11]。
[11] 译者注：这种说法并不准确。最近的研究表明，一些生物消失了的器官在之后的演化过程中有可能再次出现。
柯普氏定律认为，后代的体型总有比亲代更大的趋势，但是它们的种群数量会相对减少。体型较大的生物更易超过它们的捕食者的体型，它们对食物的利用率更高（大体型生物比同样质量的若干小体型生物的能量损耗要小），但是适应环境变化的能力相对薄弱，更易灭绝。恐龙大灭绝是柯普氏定律的真实写照，庞大恐龙的灭绝与微小细菌的存活形成了鲜明对比。在过去的40亿年里，细菌几乎没有发生什么变化，它们演化的成功是显而易见的。
物种灭绝既可以由像陨石撞击这样的突发性灾难事件引起，也可能由病害、捕食、种间竞争或者食物及栖息地的丧失等因素导致。自从寒武纪大爆发开始，新物种的形成和老物种的灭绝总是如影随形。有些物种在濒临灭绝的时刻又重新繁盛起来，否则它们的生态位很快就会被其他物种占据。
在达尔文的进化论提出之前，物种灭绝的观点已被人们广泛接受。最初，化石的发现使科学家产生了一个疑问：为什么在今天的地球上从未见过化石中的生物？一种解释是这些生物还生活在地球上，只是在那些人类未曾到过的遥远地区，所以没人见过。但是，到了1786年，人类的足迹已经遍布地球上的大部分地区，可是依然没有发现任何像猛犸象那样巨大的动物，这正好支持了法国博物学家居维叶提出的猛犸象已经灭绝了的观点。
加拉帕戈斯地雀
加拉帕戈斯地雀的演化向我们展示了一个物种分化成若干个新物种的过程。这些地雀的祖先来自南美大陆，它们在加拉帕戈斯群岛的不同岛屿各自适应了种子、果实、昆虫甚至仙人掌等不同类型的食物，而逐渐分化为不同的物种。不同种类地雀的喙因为食性不同而有所差异。由于占据的生态位不同，不同种类的地雀在岛上相安无事。
如今，地球上有200万~500万个物种。对这些物种的命名和分类都源自人类语言的伟大力量。史前的人们也需要鉴别不同种类的动植物，以便区分哪些可以食用，哪些有毒，哪些比较温和，哪些有可能伤害到自己。古希腊博学家亚里士多德是最早尝试对动植物进行分类的人。他注意到鸟与昆虫的区别，并根据它们各自的特征将其归为两个大类。命名一种生物就没那么简单了。18世纪以前，生物的命名并没有什么章法可循，这种情况直到瑞典植物学家林奈创立了生物命名的双名法之后才得以改善。根据这个命名规则，每一个物种的名称都由一个属名和一个种名组成，所有的名称采用拉丁语并以斜体书写。比如，Felis是野猫的属名，它的种名是silvestris。野猫和其他家猫都属于猫科。野猫只能与野猫交配繁衍，而不能与山猫（Felis rufus）、美洲狮（Felis concolor）、狮子、老虎等任何大型猫科动物交配产生后代。
达尔文找到了新特征形成的机制，而对特征的识别和分类是分类学的主要研究内容。
今天，林奈提出的生物命名体系依然是现代生物分类学的精髓。如今，所有的动植物被分成5个界（有些分类系统是6个界）。这5个界从大到小又被依次划分为门、纲、目、科、属、种6级分类单元，其中属和种两级分类单元是由林奈提出的。现生生物根据它们的特征很容易被划归为某个大的门类（如界、门、纲等），但是鉴定种和亚种级别的特征是非常具有挑战性的。
林奈发现了生物分类的自然层次，达尔文解释了其中的含义，即所有生命都起源于一个共同的祖先，然后在自然选择的作用下演化得千差万别。如果在演化树中沿着某个物种的分支一直追溯到它在该生物界中的祖先，基本上就可以知道这个物种大致的演化过程。演化树的基部由原始的类群组成，它们是其他物种的祖先。这个结论有力地回击了从《物种起源》出版至今160多年来所有反对达尔文的声音。演化树的分支反映了不同类群生物之间的亲缘关系的远近。
大灭绝事件
各种生物集群灭绝的现象叫作大灭绝。在泥盆纪末期的大灭绝事件中，海洋生物中大约1/3的科遭受灭顶之灾。虽然后来很多类群出现了复苏，但是在二叠纪末期又有54%的科从地球上消失。两次大灭绝事件共造成地球上90%的生物灭亡，接下来的一次大灭绝事件发生在白垩纪末期。
分支系统学是研究生物分类的一种手段，它通过定义原始与进步的特征来反映祖先和后裔之间的亲缘关系的远近。进步特征（比如头发或羽毛）在演化过程中只产生一次。因此，所有具有这些特征的后裔都可以被视作一个单系类群。另外一个有巨大潜力的研究手段是DNA测序技术。每个物种的DNA和RNA的碱基序列都是独一无二的。两个物种产生分歧的时间越早，它们的DNA和RNA的碱基序列的差异就会越大。利用这一原理，通过比对序列的相似性，就可以知道两个物种的演化关系。
对生物进行分类是一种标记演化史的简便方法，可根据生物彼此间的差异将其分成若干层次，而界是最大也是最重要的一个层次。林奈最早提出了生物分类的二界系统，将生物要么归入动物界，要么归入植物界。正如著名生物学家林恩•马古利斯所说的，在那时，人们把所有不认识的东西都当成细菌归入植物界[12]。但是到了19世纪末，人们意识到很多微小的生物既不属于动物，也不属于植物，因此急需将这些生物归入一个新的分类单元。原生生物界的概念就是在这个时候提出的。
[12] 译者注：在林奈的二界系统中，细菌类、藻类和真菌类被归入植物界，原生动物类被归入动物界。
随着自然科学的进一步发展，人们发现了大量微小且奇特的生命形式。这时，三界系统也不能满足生物分类的需求了。终于，到了1963年[13]，一种基于解剖学、生物化学和营养方式的五界系统被提了出来。五界系统认为，原核生物界代表了最古老和最原始的生命形式，其他界的生物都是由原核生物界演化而来的。原核生物界由原核生物组成，它们没有细胞核和其他细胞器结构。该界的生物种类和数量是地球上最为庞大的，并且直到今天它们依旧繁盛。目前，绝大多数学者倾向于将原核生物界分成古细菌界和真细菌界，形成六界系统。
[13] 译者注：此处疑为作者笔误。五界系统是由魏特克在1969年提出的。
除了古细菌界和真细菌界以外，其他各界都是由真核生物组成的，它们具有细胞核和其他细胞器结构。最早出现的真核生物是单细胞的原生生物。此后，动物、植物和真菌才相继出现。
由于营养方式的不同，植物、动物和真菌被归入不同的界。植物是自养生物（即生产者），它们通过光合作用合成有机物来满足自身对能量的需要。动物是异养生物（即消费者），它们通过摄取食物获取自身所需的能量。真菌属于分解者，它们通过分解其他生物的残骸获得能量。
幸存者
细菌是地球上演化最为成功的生命形式，它们成功地生存了将近35亿年，并且躲过了造成大量物种消失的历次大灭绝事件。下图所示的螺旋菌是一种真细菌，它属于现代生物系统里的真细菌界。
哪些是植物
植物最早出现于距今4.5亿年前。和细菌不同，植物是由种子发育而成的。目前，人类命名了大约50万种植物，而自然界中的植物种类估计是这个数字的两倍。已知的大多数植物都是陆生植物。
原生生物
这种具有细胞核结构的微小生物在地球上存在了将近12亿年，包括藻类、原生动物和黏菌。这些生物可能会颠覆你的想象，它们既不是动物，也不是植物，更不是真菌，而是由不同类型的细菌通过共生演化出来的。
真菌
真菌是由原生生物演化而来的。自然界中的真菌估计有约150万种，其中只有很少一部分被人们所熟知。真菌曾经被归入植物界，但是它与动物有很多共同点。
动物界
动物很可能是由原生生物演化而来的。在动物界的37个门中，98%都是无脊椎动物。从演化的角度来说，动物绝对是个失败者，因为地球上曾经出现的动物有99%都已经灭绝了。当然也有例外，比如舌形贝，它从寒武纪起源至今，模样几乎没有发生任何改变。
最古老的细菌微体化石 
最古老的原生生物化石 
最古老的动物化石 
最古老的真菌化石 
最古老的植物化石
距今45.5亿~25亿年[14]
[14] 译者注：根据最新的地质年代表，太古宙距今40亿~25亿年。
太古宙横跨地球最初的20.5亿年，几乎相当于地球历史的一半。而太古宙和稍晚的元古宙共同组成的前寒武纪相当于地球历史的90%。虽然前寒武纪这个名词很少出现在地质年代表上，但在描述寒武纪之前地球的历史时经常用到。太古宙，地球从一个由尘埃、气体和宇宙碎片组成的炽热星球变成一个生机勃勃的世界。在这一时期，地核、地幔和地壳初步形成，大气圈和海洋逐步建立。早期的微大陆经过剥蚀形成了最初的沉积岩。在现存的太古宇岩石中，人们发现了原始的单细胞生物化石，它们是记录地球生命历史的最古老证据。
关键词
带纹铁石、生源论、碳酸盐沉积、燧石、克拉通、地壳、真核生物、长英质地壳、绿岩、铁镁质地壳、地幔、原核生物、地盾、叠层石、超铁镁质地壳
由于剧烈的火山活动和频繁的陨石撞击，地球最初的5亿年被称为冥古宙，这个名字源于希腊语中的“hell”（意为“地狱”）一词。
早期大气中充满了水蒸气，在地球表面冷却以后，活跃的火山裂隙将地表分割成大小不一的区域，这就是科学家描绘的太古宙早期地球的样子。随着地球表面冷却，液态水开始富集，地壳逐渐形成。虽然40亿年前的原始地壳厚度还不到30千米，比今天的地壳要薄很多，但在结构和化学组成上它已与现代地壳并无二致。最终，漂浮在岩石圈上的小片原始地壳聚集形成原始大陆的雏形。但是，早期大气富含氩、氖等稀有气体，和现代大气的成分完全不同。这些稀有气体并不稳定，很快就被太阳风吹散并逐步被二氧化碳、氮气和水蒸气所取代。
大约40亿年前，原始大陆可能只是直径不超过500千米的小片地壳，比现代大陆的规模要小很多。由于这一时期地幔的对流运动依然强烈，原始大陆存在的时间可能非常短暂。到了38.5亿~37.5亿年前的依苏阿代，花岗岩在地球表面形成，成为日后火成岩和沉积岩的基底。这些花岗岩基底由于深埋于地下，在高温高压作用下变质形成片麻岩。在格陵兰岛的依苏阿地区发现的已知地球上最古老的沉积岩大约为38亿岁，这套岩层中的含铁矿物记录了彼时的大气圈依然处于缺氧状态。到了40亿~30亿年前的斯威士代，地幔对流趋于平缓，科学家认为构造板块很可能在这一时期已经形成。一旦地幔物质的对流趋于平缓，地壳的面积就会迅速扩张。此时，只有位于板块边缘的岩石下沉到地幔中，而绝大部分地壳得以完整地保存下来。在距今35亿~25亿年的这段时间里，陆壳的增生是十分显著的。现代陆壳的厚度为25~95千米不等。科学家估计，35亿年前的陆壳厚度可能仅相当于今天的5%，然而仅仅过去10亿年，陆壳的厚度就超过了今天的60%。
月球的形成
科学家认为，大约44亿年前一个与火星大小相仿的天体撞击了地球。这次撞击导致大量物质被抛射到外层空间，形成一个环绕地球的“碎片带”，“碎片带”内的物质不断聚积形成月球。
月球从形成到变成我们今天看到的样子大约用了10亿年。起初，月球也经历了一个吸积和圈层分化的过程。随着熔融的表面逐渐冷却，月球变成了一个死寂的世界。在月壳形成以后，陨石的撞击使得月球表面布满了大大小小的环形山。距今38亿~31亿年[15]的几次大规模撞击事件导致月幔物质溢出形成月海。从地球上看，由玄武岩覆盖的月海颜色较暗，而由斜长岩组成的高地颜色明亮，年代也较月海更古老（形成于44亿年前）。
月球表面环形山形成的年代久远，有些环形山可能早在30亿年前就已经存在。有的大型环形山内部还有小环形山，它们都是月球频繁遭受陨石撞击的证据。月球表面的岩屑也都是由历次撞击形成的。
[15] 译者注：此处疑为作者笔误。原文为“3.8~3.1 million years ago”，但根据上下文关系应为距今38亿~31亿年。
大陆板块在30亿~25亿年前的兰丁代完全形成。虽然板块边缘的俯冲和回收在继续进行着，板块中心区域却相对稳定。这些稳定的区域称为克拉通或地盾，至今依然是现代大陆的中心。
参考章节
地球的起源及其自然环境：大陆、地壳、岩石圈、地幔、板块构造
生命的起源及其特点：蓝细菌、原核生物、真核生物
元古宙：藻类植物、叠层石
志留纪：深海热液喷口
早期大陆经过剥蚀形成最早的沉积岩，主要包括砂岩、砂砾岩和砾岩。所有这些岩石都富含硅酸盐矿物，它们的母质都是由花岗岩、玄武岩和变质岩风化形成的。剥蚀作用产生的大量钙质矿物随溪流汇入大海，逐渐沉积形成石灰岩。已知最古老的石灰岩是在大约28亿年前形成的。随着大气圈含氧量的增加以及溶解在海水中的二氧化碳的增多，形成的带纹铁石越来越少。到了元古宙，碳酸岩成为沉积岩的主要类型。因此，从太古宙开始，剥蚀和沉积就成为维持海洋化学平衡的主要方式。
太古宙，地球上的海陆格局基本形成。彼时的陆地一片荒芜，但是海洋中已经孕育出能够进行光合作用的生命体，它们正一步一步地改变着地球。
和现代大陆板块一样，太古宙的原始大陆也不是静止的，而是“漂浮”在软流圈之上。仅存的太古宙原始大陆形成了位于所有现代大陆中心的克拉通。大规模的克拉通在加拿大、格陵兰岛、斯堪的纳维亚半岛、俄罗斯、非洲、南美洲和澳大利亚都曾发现过，并且很可能也存在于南极大陆。加拿大克拉通是迄今已知面积最大的克拉通，在更新世冰川的作用下得以广泛暴露。克拉通为大陆演化提供了非常宝贵的证据，能够帮助古地理学家重建亿万年来的海陆变迁。
太古宙的世界
太古宙的地球表面被广阔的海洋覆盖。最初的地壳通常由“热点”上方凝固的火成岩组成。由于地幔剧烈的对流运动，这些小片的地壳可能只是短暂出现，然后随即消失。“热点”的位置也是经常变换的，可以在不同的区域形成新的地壳。
最初的大陆
最早形成的原始大陆面积很小。组成原始大陆的火成岩通过风化和剥蚀逐渐形成了泥岩、砂岩和页岩，原始大陆继而汇聚形成了中等面积的新大陆。这一时期的一些岩石至今依然可以在克拉通中找到。
克拉通之所以能够保存至今，是因为它们存在于稳定的大陆内部，而不是活跃的大陆边缘。由于板块边缘扩张形成洋盆，大陆也在缓慢并持续地彼此远离。人们在克拉通的结构中还发现了早期岛弧和海沟存在的证据，证明原始的洋壳与陆壳是相连的。
人们对前寒武纪的了解大多是通过研究陆壳中长期稳定的构造单元——克拉通实现的。
如果简单地将每一块克拉通都理解为曾经的一块大陆，那就大错特错了。元古宙最初的超大陆，实际上是由太古宙的许多原始大陆经过15亿~18亿年的缓慢移动逐渐汇聚而成的。
大约35亿年前，所谓的原始大陆依然是浩瀚海洋中的片片岛屿。大约到了30亿年前，由于火成岩、变质岩和沉积岩的不断积累，中等面积的稳定大陆才逐渐形成。其中，火成岩和变质岩组成了稳定大陆的核心。这两种岩石风化形成的碎屑通过搬运最终在大陆边缘形成沉积岩。与此同时，大量的火山灰被雨水冲入大海，在近岸形成巨厚的火山沉积物。火山灰还能通过风力被搬运至深海大洋，因此深海沉积相也是太古宙岩层的特点之一。虽然真正意义上的冰河时期是到了元古宙才出现的，但太古宙海拔较高的火山也可能曾经被冰雪覆盖。
如前文所述，原始大陆是在大约40亿年前由上地幔冷却形成的。所以，一般认为陆壳的年龄至少有40亿年。这些漂浮在软流圈上的原始大陆之所以保存到现在形成克拉通，是因为原始大陆的形成必然导致该地区的地幔变薄，该地区地幔的对流运动可能趋于平缓，而其他地区的地幔羽和地幔对流活动都较剧烈。
“热点”作为板块内部的高热流区，在相对活跃的大洋板块中更为常见。
需要强调的是，地核及其外部圈层形成过程中发生的强烈对流曾经在4亿~5亿年的时间里阻碍了稳定大陆的形成。这一时期的地幔羽和“热点”可能远比想象中的要多。与这些对流构造相对应的不稳定的微小地壳，或许可以为研究早期大陆的形成过程提供更多的线索。
大陆板块边缘的火山活动形成岛弧，而地幔羽还可能与早期弧后盆地的形成存在密切的关系。正因如此，这些由火山活动形成的沉积岩在大陆形成的早期可能也遭受了同等规模的地质作用并随大陆一起抬升，所以在克拉通的边缘经常能找到这些扭曲的沉积岩层。
通过研究克拉通中岩石的组成成分，人们可以了解早期大陆的物质组成和形成过程。世界上最古老岩石的形成都与克拉通有关，比如格陵兰岛的带纹铁石和南非巴伯顿地区的燧石。燧石的主要成分是硅酸盐，可能通过火山活动或生物活动产生（即由生物体产生），当然也可能是成岩作用的产物。
组成克拉通的岩石是在火山活动、沉积作用和早期生命活动的共同作用下形成的。
可以确定的是，巴伯顿燧石的形成与火山活动密切相关，其中保存的细菌化石表明这些生物可能曾经生活在热泉和富含淤泥的间歇泉中。与燧石的形成过程不同，带纹铁石主要在浅海大陆架上的盆地中一层一层地沉积形成。人们在北美洲、澳大利亚西部、俄罗斯和乌克兰境内均发现了大规模的带纹铁石，当地人将它们当作铁矿开采。
太古宇地层
澳大利亚西部的皮尔巴拉地区出露规模巨大的太古宇花岗岩侵入体。侵入体将上覆富铁沉积岩和绿岩带推成拱形，有些围绕侵入体岩层的产状甚至接近竖直。
布满褶皱的克拉通
左侧这幅卫星照片展示的是加拿大的拉布拉多褶皱带，图片的右上角和左下角是由太古宇的花岗岩构成的规模巨大的克拉通。这些克拉通的组成成分与陆壳十分相似，通常较普通花岗岩含有更多的长石。它们形成于地球深部，随后不断抬升。褶皱区域的岩层严重扭曲，高温和高压使这些岩石变质形成片麻岩并发生进一步的扭曲。
这些分布在世界各地的带纹铁石为研究早期地球的自然环境提供了非常重要的信息。一二百米厚的带纹铁石在方圆数百千米的浅海大陆架盆地中形成，不仅揭示了大陆的形成方式，而且证明了当时的地球大气依然是缺氧的。
虽然人们在更为古老的格陵兰依苏阿含铁沉积物中并没有找到确切的化石，但是其中包含的碳元素证明生命起源的时间绝不会晚于38亿年前。这些都是太古宙生命演化的有力证据。而巴伯顿燧石形成于大约35亿年前，其中保存下来的单细胞生物化石确定无疑地记录了早期生命演化的过程。细菌和蓝细菌就是这类单细胞原核生物的重要代表，它们通过进行光合作用一刻不停地改变着我们的地球。
古老的岩石和矿物记录了太古宙的地质构造过程。
一些矿物也能够帮助人们了解早期大陆的形成和演化。通过分析克拉通中变质岩和火成岩的矿物特征，人们能够判断这些岩石形成时的埋藏深度、变质作用的强度以及地幔的组成成分。造成克拉通岩石变质的因素主要有两种：一种是引起褶皱或断层的机械作用，另外一种则是后期侵入岩的高温烘烤。
最古老的岩石
地球上已知最古老的岩石发现于太古宇的克拉通中。右图中展示的具有强烈褶皱的片麻岩发现于格陵兰依苏阿地区，它们是大约38亿年前火山活动的产物，并在漫长的地质年代中经受强烈的变质作用。这些片麻岩中的绿岩带富含非金属矿物，它们是重要的矿产资源。有些时候地幔物质侵入到片麻岩裂隙中，形成年轻的火成岩脉。
古老的侵入体
与格陵兰依苏阿地区条带状的绿岩带不同，南非巴伯顿的绿岩带并无规则的形状。这是因为从35亿年前这些绿岩带形成至今，它们经受了无数次构造运动和花岗岩体的侵入。巴伯顿绿岩带富含镁，这种金属元素是那个遥远年代炽热环境的标志。巴伯顿绿岩带上覆的沉积岩中含有丰富的金矿，这些黄金都是从古老的火成岩中逐渐风化出来的。例如，威特沃特斯兰德地区的金矿从1886年发现至今产出的黄金相当于全世界黄金总量的50%。
太古宙的克拉通
大约7%的现代陆壳由太古宙原始大陆形成的克拉通组成。绝大多数克拉通至少都有25亿年的历史，有一些甚至在35亿年前就已经形成。
在地壳形成后不久，构造运动产生的断层和地壳裂隙为地幔物质的涌出提供了通道，也成就了日后丰富的矿产资源。比如，地球上大约50%的金矿都与太古宙破裂的岩层有关。绝大部分金矿是通过岩浆房中金属流体沉积时的水热作用产生的。这些滚烫的液体在冷却沉淀形成矿脉之前能够沿着断层流动很远的距离。同样，地球上大约50%的铅矿和锌矿也都发现于太古宙的克拉通中。这些金属矿物很可能是在海水循环过程中通过深层的裂隙从上地幔涌至海底的。
绿岩带的形成
绿岩带是变质的火成岩。小片的地壳在地幔对流的作用下碰撞或拉张（
），地幔物质通过火山活动喷出地表（
）。更大规模的板块运动引起地壳的回收（
），同时伴随新的火山喷发。绿岩带发生挤压和变质（
）。
钻石是在地下200千米处高温高压的环境中形成的。它们形成于几十亿年前的太古宙，但是直到显生宙晚期才被侵入的金伯利岩脉（一种火成岩）从地球深部裹挟到地表。地幔的高压环境赋予了钻石无与伦比的硬度，这个压力同时也作用于地球深部的水和二氧化碳，推动金伯利岩迅速到达地面。如今，深埋于地下的金伯利岩中依然有大量的钻石因为埋得太深而无法开采。
海沟、深海峡谷和海底山脉是构成现代海底的基本地貌。在大西洋洋底，洋中脊是主要的地貌特征，它是一条从大西洋延伸至北极的海底山脉。洋中脊的两侧是若干条平行排列的海底山脉，它们都是由年代更久的洋中脊形成的。在山脉与大陆坡之间是非常广阔平坦的海底平原，主要由海底巨厚的沉积物形成。海底平原上偶尔也会出现高耸的山峰，这些山峰可能是那些深埋于沉积物之下的火山构造。
洋中脊是绵延数千千米的海底山脉，它是由熔融的地幔物质涌出形成的年轻洋壳。
大陆坡和大陆地台是洋底转变为大陆架以及洋壳转变为陆壳的过渡地带。洋壳在45亿年前岩浆海刚一开始冷却的时候就开始形成，是地球上最古老的结构之一（迄今发现的陆壳年龄一般不超过40亿岁）。原始的洋壳曾经主要是由科马提岩组成的，科马提岩是在极高温度的环境中形成的一种超铁镁岩。而现代洋壳主要是由玄武岩在大约1100摄氏度的较低温度下形成的。
虽然洋壳早在陆壳出现之前就已经形成，但是由于不断回收，已知最古老的洋壳年龄仅为1.8亿岁。
年轻的洋壳在洋中脊附近不断形成，每年都要扩展大约3.5平方千米的面积。大西洋洋壳由于扩张缓慢，在洋中脊两侧形成阶梯状的海底山脉和峡谷，而太平洋洋壳扩张快速，没有形成这样的海底地貌。
随着年轻地壳在洋中脊附近不断形成，古老的洋壳在远离洋中脊的俯冲带俯冲到陆壳以下并重新回收。正是由于这个原因，如今几乎找不到太古宙的洋壳，但是依然可以找到30亿年前太古宙形成的陆壳。因此，在现代洋壳边缘地带发现的最古老的洋壳年龄仅为1.8亿年。
即使在太古宙，洋壳也是不稳定的。由于剧烈的地幔物质对流，古老的洋壳被重新熔化，年轻的洋壳不断形成。早期微板块边界处的岩石大多在板块运动和碰撞的过程中被破坏。如果这些岩石得以完整保存的话，其中包含的古地磁方向信息将为确定现代洋壳的年龄提供重要的参考。
尽管如此，随着剧烈的地质活动趋于平静，太古宙的海底开始出现许多与现代海底相似的地貌，而高耸的海底火山和海底山脉无疑是最好的证据。海底平原在这个时期也出现了，大量陆源沉积物在海底平原地带形成的深海沉积代表了绝大部分的太古宙沉积岩。随着洋壳不断形成和海底逐渐扩张，如今地球表面的绝大部分都被洋壳覆盖。
“黑烟囱”
左图展示的深海热液喷口周围的黑色矿物沉积俗称“黑烟囱”。“黑烟囱”主要由铜、铅、锌等金属的硫化物组成。这些溶解在350摄氏度高温海水中的矿物在遇到低温海水时会发生结晶，围绕热液喷口形成烟囱状结构。太古宙的原始古细菌很可能会像现代微生物利用氧气一样利用这些金属硫化物完成代谢。一些科学家甚至怀疑这些嗜硫古细菌很可能是地球上最早的生命形式。
休眠火山 寄生火山锥喷发 形成不久的月球 
电离风暴 
间歇泉 
高温泥浆池 
叠层石
深海热液喷口
洋中脊附近的深海热液喷口（又称深海热泉）在太古宙就已经出现了。它的形成与海水的冷热对流密切相关。温度较低的海水在洋中脊处沿岩石裂隙向下渗入岩浆房，加热后又重新喷涌出海底。喷出的高温海水包含大量微小的矿物颗粒，形成“黑烟囱”。
海底火山形成的裂隙也为海水对流提供了通道。温度较低的海水在洋中脊处沿岩石裂隙向下渗入岩浆房，加热后又重新喷涌出海底，形成深海热液喷口。喷口处的海水温度高达350摄氏度，并且富含硫化物和大量微小的矿物颗粒，形成“黑烟囱”。20世纪70年代末，人们在太平洋洋底首次发现了太古宙的 “黑烟囱”。不仅如此，现存太古宙富含硫化物的沉积岩也是这些古老的深海热液喷口的见证。尽管水温高达数百摄氏度，现代的“黑烟囱”附近依然生活着蠕虫、软体动物和鱼类。一些科学家甚至认为在太古宙早期，生命很可能起源于“黑烟囱”。
大洋底部的岩石裂隙为高温海水的涌出提供了通道，海水裹挟着微小的矿物颗粒形成“黑烟囱”，生命就起源于这样一个复杂的化学环境中。
细菌“建造者”
右图中的纵切片展示了叠层石的形成过程。叠层石是由蓝细菌周期性生命活动富集的碳酸盐逐步转化为硅酸盐形成的。这一过程有力地证明了生活在浅海中的微生物至少在32亿年前就具备了进行光合作用的能力。而来自格陵兰依苏阿绿岩带的证据甚至将光合作用出现的时间向前推进了至少5亿年。在澳大利亚鲨鱼湾地区发现的由微生物搭建的层垫状构造则是现代叠层石的代表。
大约35亿年前，叠层石开始出现，它们是由大量蓝细菌堆积的层状结构石化形成的。虽然叠层石在元古宙较为普遍，但是它们在太古宙晚期就已经遍布世界各地。世界上最古老的叠层石发现于澳大利亚皮尔巴拉地区的太古宙克拉通。如今，现代的叠层石依然生长在澳大利亚鲨鱼湾附近温暖的潮间带。
炽热、潮湿、贫瘠、爆炸这些都是太古宙的代名词。太古宙的地球一片荒芜，但是生命还是在这里悄然出现。
和今天的地球相比，太古宙的地球简直是地狱般的景象：沸腾的泥浆池不停地冒着蒸汽，间歇泉喷出滚烫的热水，火山喷发将炽热的岩浆和大量火山灰抛向空中，整个世界一片死寂。空气中回荡的只有火山喷发时的闷响和旷野中肆虐的电离风暴的爆裂声，暴雨从灰色的天幕中倾泻而下。在乌云散开的夜晚偶尔可以看到形成不久的月球。此时的月球形状还是不规则的，但是已然成为了地球最忠实的伴侣。
即使环境如此恶劣，在古海洋的边缘依然出现了早期生命。由蓝细菌搭建的叠层石在温暖的浅海地带形成，它们的出现证明在32亿年前光合作用已经成为维系生命的重要条件。
与此同时，地球内部正发生着另一个演化过程：固态地壳形成了最初的微大陆，其中一部分至今依然以克拉通的形式存在于现代大陆的中心。除此以外，绝大部分早期形成的地壳在地幔物质对流的作用下被再次回收，只有当这个作用逐渐减弱了以后，成片的、稳定的陆地才开始形成。
藻类是最接近植物的原生生物，包含从单细胞微小生物到多细胞大型生物的众多类型。大多数藻类生活在水中或潮湿的陆地环境中，并且都能进行光合作用。蓝细菌具有原始的单细胞结构，被认为是地球上最早的生命形式。最早的多细胞藻类卷曲藻（Grypania）出现在大约22亿年前的元古宙早期。原始藻类通体柔软且缺乏维管系统，因此化石记录非常有限，我们很难详细重建它们的早期演化过程。
大约19亿年以前，早期疑源类和绿藻类出现在卷曲藻之后。值得注意的是，疑源类成为了前寒武纪末期和古生代浮游生物的重要组成部分。相比之下，一直延续到今天的绿藻有运动和固着两种生活方式，其中营固着方式生活的绿藻形成单独的种类。疑源类生物和绿藻类都是真核生物，因为它们都具有细胞核结构。
绿藻和红藻的起源也可以追溯到元古宙。这两种藻类中的一些超科甚至演化出了坚硬的白垩质骨骼以起到支撑和保护作用。到了显生宙，石灰藻类对石灰岩和礁体的形成起到了重要作用，一些浅海种类的骨骼还参与了钙质珊瑚砂的形成。不仅如此，包括蓝细菌在内的藻类还在全球碳循环过程中起到了关键作用。前寒武纪末期，可能由于腹足类的取食，蓝细菌的数量有所减少，因而其他藻类开始繁盛起来。浮游藻类，比如颗石藻、硅藻和甲藻等通常被用作确定沉积岩层年龄的依据。藻类在显生宙也可能断断续续地繁盛过，但是现代藻类的繁盛通常与水体的富营养化有关。因此，地史时期藻类的繁盛与衰落也可能与全球变暖、环境污染和大灭绝等诸多事件存在着某些复杂的联系。
藻类有哪些门类
藻类包括很多相互独立的门类，因此关于它们的分类存在巨大的争议。目前只有疑源类、甲藻类、绿藻类、颗石藻类、硅藻和石灰藻类有比较明确的化石代表，但可以肯定的是大多数藻类的演化都是相对独立的。每一种藻类可能都起源于一种单细胞生物。尽管有些藻类（例如沟鞭藻）也会形成群落，但它们依然是单细胞生物。以疑源类为代表的一群分类位置不明的浮游藻类具有很多不同类型的结构，它们可能代表了地球上最早也是最广布的化石藻类。
最早的蓝细菌出现。与细菌不同，它们的代谢依赖阳光（光合作用）。 最早的多细胞藻类出现。这些原始多细胞藻类的细胞各自独立且尚未分化。 最早的疑源类出现。随着植食性动物的增加，它们演变为多刺的形式。 最早的红藻门植物（红毛菜科）出现。 最早的轮藻门植物出现。 
最早的甲藻门植物出现。 
最早的珊瑚藻类（甲藻门）出现。 
红藻和绿藻演化出坚硬的骨架。 
最早的胶毛藻目（绿藻门）出现。 
多细胞藻类出现细胞连接和分化。
五颜六色的藻类
根据颜色，可以将藻类划分为很多独立的分类单元。大多数藻类都具有叶绿体（进行光合作用的细胞器），但是褐藻门、甲藻门、红藻门、黄藻门和绿藻门各自具有不同类型的色素。这些色素能够吸收不同波长的太阳光，因此不同的藻类可以根据光线的变化生活在不同深度的海域，占领不同的生态位。
酷似高等植物的藻类
海藻属于藻类，但因具有宽阔的“叶片”和“根”而与高等植物颇为相似，其中一些种类可以长达30米，比如我们熟知的海带。
藻类的祖先
尽管蓝细菌为单细胞生物，但它们大多具有鞭毛，并组成原核生物界的一个门。它们都具有叶绿素，能够进行光合作用。有些种类还因具有藻蓝蛋白而呈浅蓝绿色，这正是蓝细菌名字的由来。
向着高等植物的方向演化
绿藻与所谓“真正的”植物最为接近，因为它们都具有叶绿素和纤维素成分的细胞壁，并且通过光合作用合成淀粉等有机物。有些绿藻具有“茎”和“叶”，因此看上去非常像高等植物。不过，绿藻必须通过水体进行繁殖，这一点与高等植物有很大的不同。有些绿藻还能产生生殖细胞，通过有性生殖方式进行繁殖。与高等植物不同的是，它们并不经历胚胎发育阶段。
距今25亿～5.45亿年
元古宙是前寒武纪最后一个时期，延续时间长达20亿年之久，相当于地球历史的40%。在这20亿年时间里，地球发生了翻天覆地的变化，尤以第一块超大陆分裂、冰河时期的到来和生物群落的形成最为显著。元古宙这个名称有 “最初的生命”的意思，它区别于之前的太古宙和之后的显生宙（“可见的生命”）。
到了元古宙，海底松散的沉积物形成了沉积岩，太古宙的深海也逐渐变浅。虽然这些沉积岩很少遭受变质作用的影响，但无法逃脱造陆和造山运动带来的改变。地层中的化石记录了更高等的单细胞生物和多细胞动植物的演化过程，其中包括一些现生动物的近亲。
关键词
弧后盆地、大陆、成岩作用、真核生物、冰河时期（冰期）、无脊椎动物、劳伦古陆、活动带、造山运动、原核生物、红层、罗迪尼亚超大陆
岩石的组成、结构和沉积相的改变标志着元古宙的开始。
从太古宙到元古宙的过渡是以一系列地质事件为标志的，包括花岗岩结构和组分的改变，以及石灰岩、砂岩和其他沉积岩的增厚。花岗岩来源于地幔，我们利用同位素测年方法可以测定花岗岩的年龄，特别是那些20亿年以来形成的岩石。因此，以同位素测年为代表的先进地质学手段对于划分全球范围的元古宙地层起到了非常重要的作用。
陆相红层最早出现于大约18亿年前。它们的出现不仅表明这一时期大气中的氧含量显著升高，而且指示出含铁矿物已经发生氧化。这一时期气候的变化可能与大陆板块的运动有关。比如，科学家在北美洲元古宙休伦期（距今21亿~ 16.5亿年）的岩石中首次发现了大陆冰川作用的证据，卡累利阿、沃普梅、格伦维尔和哥特等造山运动也证明元古宙的确发生了局部的构造运动。其中，卡累利阿造山运动发生在瑞典北部，哥特造山运动发生在斯堪的纳维亚，格伦维尔和沃普梅造山运动分别发生在加拿大东部和西部。这些地质运动表明山脉在这一时期陆续形成。
真核生物的起源
地球上已知最古老的生物是35亿年前出现的原核生物，包括细菌和蓝细菌。它们都是单细胞生物，没有由核膜包被的典型细胞核结构，因此它们的遗传物质散乱分布在细胞中。紧接着，真核生物出现了。虽然它们也是单细胞生物，但已经演化出由核膜包被的典型细胞核以及以染色体形式存在的DNA。此外，真核生物还具有由膜结构包被的细胞器。这些细胞器很可能是通过原核细胞内的好氧细菌演化来的——这个过程叫作内共生。形象地说，内共生就是当好氧细菌侵入原核细胞时，细菌并没有被消化掉，而是与宿主形成了共生关系，由宿主为其提供必要的营养物质和保护。细菌依靠宿主生存，反过来又为宿主提供必需的能量。好氧细菌演化为线粒体，它们随宿主细胞的分裂而复制，一代一代周而复始。这些被好氧细菌侵染的原核细胞逐步演化为真核动物细胞。通过相似的途径，光合细菌侵入原核细胞并与宿主共生，且通过光合作用为宿主细胞提供必需的能量，逐步演化为真核植物细胞的叶绿体。动物和植物就是通过这样的方式演化出来的，有性生殖方式随之出现了。
随着地球深部对流的减弱和陆壳的增生，元古宙早期的大陆板块面积比太古宙有了大范围的扩大。大陆边缘开始出现带状沉积物，表明弧后盆地已经形成且完全封闭。这些构造称作造山带或活动带。
参考章节
生命是如何演化的：原核生物、真核生物、繁殖
太古宙：最初的大陆、蓝细菌与早期生命
寒武纪：寒武纪大爆发、布尔吉斯页岩
西伯利亚板块、澳大拉西亚板块、南极板块和美洲板块彼此相向移动，因此较小的板块之间发生碰撞是在所难免的。在元古宙早期，广阔的加拿大克拉通组成了劳伦古陆。大约14亿年前，一些较小的大陆聚集形成罗迪尼亚超大陆。到了12亿年前，大陆板块间发生碰撞，在超大陆的边缘地带发生了格伦维尔造山运动和其他造山运动。大陆的形成可能引起了气候和海水流动的强烈变化。有资料显示，在距今20亿年到6亿年前的这段时间里，地球曾经历了4次冰河时期。
随着罗迪尼亚超大陆的形成和造山运动的发生，山脉成为新元古代陆地的典型地貌。强烈的冰川作用及冰川融水的侵蚀和搬运导致巨厚的沉积物形成。持续不断的化学风化不仅降低了大气中二氧化碳的含量，而且岩层中溶出的钙质还参与了石灰岩和其他碳酸盐岩的形成。作为全球碳循环的重要组成部分，二氧化碳在这些沉积岩中将储存相当长的时间。
每经过一段时间，海平面的上涨就会淹没一部分陆地。因此在一些地区，元古宙-寒武纪过渡时期的地层是以不整合接触和浅海沉积物的出现为标志的。元古宙末期出现的新物种到了这一时期逐渐能够适应各种不同的环境。
元古宙的海洋以中、深海为主。近岸浅海处的叠层石形状各异，说明这一时期的藻类开始出现分化且能够适应不同的生境。但是，到了大约10亿年前，叠层石的数量开始锐减。环境变化可能是导致叠层石生物减少的主要因素，但是原始植食性动物取食的因素也不能被完全排除。
最早的超大陆
太古宙末期微大陆逐渐聚集，形成了元古宙的罗迪尼亚超大陆。大约10亿年前，年轻的地壳把这些微大陆连接成巨大的陆地（罗迪尼亚超大陆），而劳伦古陆则位于这个超大陆的中央；在罗迪尼亚超大陆的南方，还有很多微大陆。大约8亿年前，罗迪尼亚超大陆开始沿着西北方向和东南方向分裂为两片陆地，中间的海洋即为日后的太平洋。大约5.5亿年前，亚马孙克拉通、西非克拉通、圣法兰西斯科克拉通最先合并，形成了位于南极点附近的冈瓦纳大陆。
前寒武纪晚期常见的真核软体动物不知在什么时候就消失了。它们在元古宙早期由简单原核生物演化而来，并通过有性生殖这种新的繁殖方式使种群的多样性迅速提高。海绵、珊瑚、软体动物和蠕虫的祖先可能在10亿~8亿年前就出现了，只是它们柔软的身躯无法经过成岩作用（化学和结构改变）保存下来。在大约8亿年前，最早具有骨骼的生物Cloudina出现了。到了6亿年前的文德期，在一些大陆边缘的浅海地带出现了更为高等的生物群落。不久之后，它们便扩散至世界各地。
非洲冰原
元古宙末期，非洲和中东几乎全部被冰原覆盖。如今，遍布非洲的冰川遗迹说明即使靠近赤道的地带也曾经历过冰川作用。
大约8亿年前罗迪尼亚超大陆一分为二，但是有地质学家认为它们在5.5亿年前重新复合。
原始的生物群落看上去十分古怪，它们的生存时代非常短暂，绝大多数物种都没有延续到寒武纪，这很可能与当时的冰川作用和海平面的变化有关。新元古代的碳同位素波动至少持续了3.5亿年（距今9.5亿~6亿年）。较低的同位素比值和深海中的带纹铁石反映出冰川作用在彼时发展到最大规模。富氧的冰冷海水下沉可能引起带纹铁石的形成，这些溶解氧直到2000万~3000万年后才以自由氧的形式重新循环到大气中。因此，在6亿~5.5亿年前，当大气中的含氧量达到相当高的水平时，各种生命形式在短时期内呈爆发式出现，显生宙开始了。
前寒武纪化石
加拿大东北部纽芬兰岛“错误点”的前寒武纪地层中盛产最早的单细胞生物化石。大约5.65亿年前，火山灰将这些最早的生物群落完整地覆盖，其中出现的叶状和灌木状生物化石的真实面目至今未知。
元古宙末期的冰川活动与早期超大陆的形成有关。在14亿~11亿年前，大陆板块之间发生了猛烈的碰撞，劳伦古陆和南极大陆形成超大陆的核心。在古元古代和新元古代都发生了剧烈的周期性岩浆活动，形成了岩脉群以及与中生代德干高原类似的大规模溢流玄武岩。这些地质构造的出现与元古宙大陆的汇聚和分裂密切相关。地幔物质的冷热对流推动大陆板块的分裂和重组，尽管这种作用机制比导致现代板块运动的作用机制要简单得多，但是板块运动在大陆形成的最初2亿年里比现在剧烈得多。
元古宙的陆核由太古宙的岩石组成。这些克拉通不断地遭受剥蚀并逐渐被年轻的沉积物覆盖，形成了元古宙大陆的稳定克拉通。
详细的古地理图和精确的同位素测年技术为地质学家了解罗迪尼亚大陆的组成提供了丰富的信息。劳伦古陆大约形成于15亿年前，它是由5~6块包括格陵兰和加拿大克拉通在内的微大陆经过大约1亿年的时间汇聚而成的。
其他大陆可能也是在同一时期形成的，然后不断漂移，彼此靠近，经过大约10亿年最终形成冈瓦纳古陆的核心。冈瓦纳古陆是南半球的超大陆，直到中生代才解体并形成了现代的非洲、印度和澳大利亚。
多细胞生命形式
与很多早期的多细胞生物一样，水母的外形也是辐射对称的。经过亿万年的演化，至今这种动物依然可以出现在世界上的很多地方。和它们的祖先一样，很多现生水母的体细胞中依然有褐藻共生。
罗迪尼亚超大陆在形成的同时也在不断向南运动。在8.5亿~7.5亿年以前，罗迪尼亚超大陆的中心还在赤道附近，但是到了新元古代末期，它的位置迅速改变。在这一时期，罗迪尼亚超大陆以每年38厘米的速度漂移，比现代大陆每年7.5厘米的移动速度快得多。这样快速的大陆漂移在现代几乎是不可能发生的，罗迪尼亚超大陆以这样惊人的速度仅用了3000万年的时间就完成了从赤道到极地的旅程。
无脊椎动物的身体结构
以下3种无脊椎动物展示了新元古代末期动物身体结构的复杂性。（）海绵动物（属于海绵动物门，又称多孔动物门）的体壁由内外两层细胞组成，其间为中胶层。呈辐射对称的体壁包围海绵腔，骨针作为整个结构的支撑。海水从海绵动物体表的入水孔经体壁进入海绵腔，又经出水孔排出，完成滤食过程。（）海葵（属于腔肠动物门）的外形也是辐射对称的[16]。除了由刺状触须环绕的口以外，它们还具有原始的消化系统。（）蠕虫（属于环节动物门）分节的身体具有双层体壁、充满液体的体腔、肠道和原始的循环系统。现生环节动物有1000多种。
[16] 译者注：海葵是真正的二胚层动物，它的体壁由内、外两个胚层组成，其间为中胶层。
[17] 译者注：原著中“出水孔”的位置与“入水孔”的位置没有什么区别。作者似乎想标注“出水孔”的位置，但应标注在海绵腔的顶端。译者在此将其译为“出水孔”。
[18] 译者注：原著中此处的“Endoderm”以及下面的“Ectoderm”并不妥当。“Endoderm”和“Ectoderm”分别指“内胚层”和“外胚层”，海绵动物只具有细胞分化而不具有“胚层”分化，因此译者在此将这两个名词分别译为“外细胞层”和“内细胞层”。
由于大陆集中在赤道附近，两极地区形成的广阔海洋引发了强烈的冷却效应。一些地质学家甚至认为这一时期的地球可能天寒地冻，而寒武纪的生物就生活在冰封的海洋深处。火山活动产生的过多二氧化碳可能会引起温室效应，进而导致冰川快速融化。这样的气候变化是周期性的，地球在新元古代短暂的时间里总共经历了4次冰期。在欧洲、北美洲、非洲和澳大利亚的许多地方，人们不仅发现了冰碛岩，还找到了由于冰川运动的磨蚀而形成的擦痕和刻槽。
柔软的身躯
埃迪卡拉动物群由软体动物组成，它的名字源于最早被发现的地点——澳大利亚南部的埃迪卡拉山。这些软体动物生活在大约5.4亿年前的新元古代，它们的印模化石保存在粉红色的浅海相砂岩中，其中很多门类的真实面目至今未知。
元古宙中晚期形成的超大陆能够帮助我们理解叠层石和早期复杂生物群落的地理分布。如果把这些生物的分布绘制在现代世界地图上，它们彼此之间完全是孤立的。但是，如果考虑它们曾经沿着一块大陆的海岸线分布，那么这种方式似乎就合乎逻辑了。现代叠层石相对稀少，因为叠层石生物生活在温暖的浅海环境中。最早的生物群落（比如埃迪卡拉动物群）也生活在温水环境中。因此，它们也只是分布在新元古代温暖的海岸附近。此时，全球的气候和洋流依然在剧烈地变化。
这些生物群落的繁盛与一定的海水盐度和含氧量密不可分。充足的氧气不仅可以使群落的多样性显著提高，而且会使生物的体型增大（氧气是高级生命形式出现的必要条件），而适宜的盐度会使海洋变得更加适合生物生存。
新元古代的海洋覆盖了地球的绝大部分地区，大量疑源类和其他真核浮游生物生活在表层海水中。疑源类可能是早期甲藻类休眠期的孢子。甲藻类主要为单细胞藻类，至今还生活在海洋和淡水环境中。但是，疑源类外壳的化石记录似乎说明甲藻孢子比甲藻本身出现得更早。
海藻的起源可以追溯到元古宙末期。新元古代的化石记录中开始出现最早的原植体植物塔乌藻，这种植物尚未出现根、茎、叶的分化。随着海藻的繁盛，贫瘠的海岸线逐渐被塔乌藻覆盖，形成一片片绿色和褐色的区域。
原植体植物的出现具有划时代的意义，但是它们转化为更加复杂的生命形式还需要经历亿万年的演化。单细胞[19]生物始于34亿年前丝状蓝细菌的出现，这个阶段大约持续了5亿年。丝状蓝细菌的所有细胞不仅具有相似的特征，而且功能尚未出现分化，它们演化为更高级的生命形式的可能性微乎其微。由原核细胞演化为真核细胞的过程就显得十分重要了。真核生物能够通过呼吸作用分解食物获取能量。最早的真核生物看上去可能就像具有叶绿体和简单“细胞核”的变形虫，它们的叶绿体和“细胞核”很可能是通过吞食原核细胞形成的。
[19] 译者注：此处疑为作者笔误。根据上下文的意思，此处应为“多细胞”。
在距今大约18亿年有性生殖方式出现之前，生命的演化是极其缓慢的。
单细胞真核生物可能在很短的时间里演化成多细胞真核生物。像塔乌藻这样的原植体植物很可能是按照植物的演化路线演化而来的，它们具有复杂的结构，而且细胞功能开始出现分化。到了大约18亿年前，有性生殖方式的出现极大地推动了生命向着更高形式演化。有性生殖丰富了基因库，进而增加了生物的多样性，为新元古代生命的快速演化提供了极好的平台。
海绵和腔肠动物至少有11种不同功能的细胞，而蠕虫和其他更高级的生物有55种特化的细胞。澳大利亚的埃迪卡拉动物群中出现了以Paleophrag-modictya为代表的六射海绵，它们具有连锁骨针组成的骨骼，这种网状骨架与一些现代海绵种类并无两样。在埃迪卡拉期及更古老的地层中，人们甚至发现了蠕虫状生物的化石，它们的出现标志着更大的演化事件已经发生。
软体动物很容易腐烂，因此只有在快速掩埋和缺氧的环境中才有可能保存为化石。根据元古宙气候变化的 “雪球”模型，全球温度的降低也许是后生动物大爆发的直接诱因。但是海水的冻融也可能对早期植物产生严重的影响，进而导致全球二氧化碳和氧气水平的波动，并间接阻碍后生动物的出现。值得注意的是，赤道附近相对温暖的海洋为新的生命形式提供了适宜的生存环境，这些更高级的生命很可能最早出现在这些地带并延续下来。
元古宙的化石群落很少，目前全世界仅发现了20个，且都形成于大约6.5亿年前。澳大利亚的埃迪卡拉动物群是其中最年轻的一个，它以化石精美和种类丰富著称。类似的动物群在加拿大西北部的麦肯齐山脉、西伯利亚和欧洲也都有发现。
澳大利亚埃迪卡拉生物群堪称新元古代生命演化的精彩一瞬。
在澳大利亚南部的埃迪卡拉山，人们发现了多达1400件软体动物的印模或铸模化石，并且都十分精美。它们产自粉红色中粒-细粒砂岩中。交错层和波痕指示出这种砂岩可能是在滨岸环境中形成的，而薄层黏土可能是由海底淤泥或者泥质潮滩形成的。由于缺少捕食者且掩埋快速，这些精美的化石才得以在亿万年后的今天呈现在世人眼前。
一般认为埃迪卡拉动物群包括水母、软珊瑚、蠕虫，可能还有腹足类。水母的种类非常丰富，有15个种之多。其中，个体较大者的直径可以达到125毫米。以恰尼海鳃为代表的软珊瑚类是底栖滤食性动物，这一点与现代海笔类并无二致。环节类蠕虫和腹足类都是游走动物，其中环节类斯普里格蠕虫的体节多达40个。
古生物学家阿道夫•赛拉赫甚至夸张地将埃迪卡拉动物群的化石比作平整的被子。他认为这些动物的身体富含水分，并且很可能与后生动物完全没有关系。这种观点受到了广泛的质疑。他还建议把埃迪卡拉动物群单独建立一个分类单元，叫作凡德虫动物门，但是绝大多数古生物学家还是相信埃迪卡拉动物群中至少有一些是现代海洋无脊椎动物的祖先。
斯普里格蠕虫 海葵 海葵着生遗迹 恰尼海鳃 水母 Ernietta遗迹 狄更逊水母 
缨鳃虫类
多细胞生物的演化过程是很难确定的，因为时代越久远，保存下来的化石就越少。早期的多细胞生物非常微小且缺少坚硬结构，因此它们形成化石尤为困难。
细菌和蓝细菌是最早出现的生物。藻类和其他原生生物（例如变形虫和具纤毛的藻类）很可能与早期细菌共存，但是这种推测缺乏化石依据。最后，两个或多个细胞的融合产生了真核细胞，而有性生殖方式的出现和基因库的扩大又为生物多样性的产生和适应性演化的出现创造了机会。细胞膜的出现将所有生命必需的物质包裹在一起，为细胞融合创造了必要的条件。
只要动植物的分化完成，即使是再原始的种类，也都可以划分为生产者和消费者、捕食者和被捕食者。外界刺激和遗传改变保证了适者生存，基因突变还创造出了新的生命形式。
海绵是所有多细胞生物中最简单的生物，缺少其他无脊椎动物所具有的典型的胚层分化。早期变形虫样细胞和纤毛细胞的出现使海绵的形成成为可能，但此时需要一个外部刺激将这两种细胞融合到一起。融合之后的细胞不仅可以将水分摄入细胞内，还可以吞噬水中的一些微粒。一旦原始的多细胞生物（动物或植物）出现，复杂生物的演化就将出现无穷无尽的可能。
珊瑚、海葵和水母的出现标志着组织分化的开始，而凡德虫和埃迪卡拉动物群成员很可能代表了组织分化的某些中间环节。科学家对这些动物群的重要性有不同的看法，有些时候他们甚至无法分清这些化石代表动物的实体或它们的遗迹。
珊瑚和其他腔肠动物分化出了内胚层和外胚层，这些动物都有一个口和一个用于消化食物的中央腔。珊瑚和水母最早的化石记录都可以追溯到新元古代，有意思的是它们与具有真体腔和复杂神经系统的蠕虫、软体动物的化石保存在一起，说明各种高等生物的祖先出现的时间需要回溯到中元古代甚至更早。
从单细胞到多细胞
最早的生物仅具有一个细胞。单细胞生物有很多缺陷，其中最致命的就是它们必须通过分裂或出芽的方式进行无性生殖。多细胞真核生物的出现允许亲本间的遗传物质发生交换，进而使有性生殖成为可能。有性生殖产生的变异极大地提高了演化速度。
古细菌——最初的生命形式。 光合细菌——可以利用太阳能合成生命活动必需的物质。 卷曲藻（Grypania）——最早的多细胞生命体。 塔乌藻（Tawuia）——原植体植物，尚无根、茎、叶的分化。 海绵动物（又称多孔动物或侧生动物）——具有两个细胞层，但缺乏对称的、高度分化的组织和器官。 已经灭绝的凡德虫具有辐射对称或两侧对称的身体结构，它们很可能是原始的后生动物。 Cloudina——最早具有矿化骨骼的生物。 根据胚胎不同的细胞分裂方式，可以将后生动物分为两个类群，即原口动物和后口动物。
最初的生命形式
在最初的生命形式中，具有完整化石记录的是叠层石。叠层石是由可以进行光合作用的蓝细菌搭建出来的。蓝细菌能够富集碳酸盐，因此日久天长，它们就会长成一个个小丘。
脊椎动物的祖先
所有的脊索动物都有一个贯穿整个身体的坚硬而有弹性的索状结构——脊索。脊椎动物的成功演化得益于内骨骼的出现，而脊椎就是从脊索演化来的。
侧生动物
侧生动物很可能是介于单细胞原生动物和复杂后生动物之间的生物。已经灭绝的、花瓶状的古杯动物具有双层多孔的体壁，海水和食物可以通过这些小孔进行循环。海绵动物具有相似的身体结构，我们在现代温暖的浅海中依然能看到它们的身影。现生海绵动物超过10000种，它们与古杯动物出现分化的时间超过10亿年。
最原始的真后生动物
现代海生腔肠动物主要包括珊瑚和钵水母。少数水螅也可以生活在淡水中。
触手陷阱
海葵与海绵生活在一起，它们挥动尖端为紫色的触手，小鱼会误认为这些是食物而落入海葵布下的陷阱。10亿年前鱼类还没有出现，那时海葵的主要食物是各种游走的小型动物。
复杂的身体结构
尽管种类有限，动物身体结构的复杂化在元古宙的确已经发生。体壁组织的类型和数量、体腔的有无、体腔的结构以及胚胎细胞的分裂方式都可以用来定义身体的结构。按照身体结构的复杂程度，动物可被分为两大类：第一类包括软体动物、环节动物和节肢动物，第二类包括棘皮动物、半索动物和脊索动物。骨骼（包括大多数无脊椎动物的外骨骼）的出现可谓是动物演化史上的飞跃，因为这种结构能够保护柔软的身体免受损伤。最原始的具有矿化骨骼的生物是新元古代出现的Cloudina，这是一种具有管状碳酸钙骨骼的动物，样子看上去有点儿像珊瑚，其中的空腔可能用来容纳柔软的身体。
