科学技术与社会进步
概 论
第一章 科学与技术的的基本内涵
科学技术的性质
科学概念的内涵和本质属性
(1) 科学是反映客观事实和规律的知识体系
科学的词原来自拉丁文scientia（知道）。后来演化成英文sciential（有知识的）和science（科学）一词。
科学是反映客观事实和规律，关于自然、社会和思维的知识体系相关活动的事业。所以科学研究是一种神圣的事业，其最显著的特点是严肃性、严谨性、客观性。科学的发现都是依据客观事实而总结出来的反映自然运动、变化的规律、定律，有的是为全人类所确认的公理。科学另一个显著的特点是要经得住历史的考验，这就要求科学的发明、规律的发现、定律的确立和公理的传世要经过一代一代人的继承、实践与发展，并将它记录下来。科学研究的新成果、工艺技术的新成就，为解决生产中的问题研究出来的新产品、新工艺、新材料以及基础理论的重大突破，不仅要在当代推广应用、造福人民、服务社会、为人类创造文明和财富，促进生产力发展和社会进步，而且还要通过科技档案、文献、资料、信息网的储存、归档传给后世。所以，迄今为止的科学技术都是在前人开展科学活动所提供的各种资料、信息的基础上发展起来的，如果没有科技档案提供各种科技信息，科学技术要发展是根本不可能的。
（2）科学是探索真理、产生知识的一种社会活动——主要内容是实验和思维
科学是知识加工的过程，是产生知识的一种社会活动，而科学活动的主要内容是实验和思维。科学通过实验、实践活动获取各种信息又运用思维处理加工所获得的信息，从而产生新的知识。因此科学活动的过程就是一个产生新知识、发现新事物、揭示新规律的过程。
（3）科学是一种特定的社会建制
科学的社会建制的真正形成是在17世纪下半叶，当时已有“科学协会”出版科学杂志，进行科学传播和交流活动；19世纪末有了实验室、研究所、科学院等形式；20世纪，由于社会发展需要大型仪器、设备，各种专题研究实验相继建立，专业化人才迅速增长、专题研究费和严密的组织管理机构也不断建立，发展成现代科学。它不仅与全部社会建制相联系，渗透于社会的政治、经济、文化、军事、教育等领域，而且本身还具有相对的独立性，有着自己特定的社会结构和社会规范。
现代科学的社会结构，是由科学研究体系，科研后勤部门和科研管理机构等方面构成。
科学研究体系包括各级各类科学研究组织以及所从事的基础理论研究、应用技术研究和开发研究等不同专业、不同领域的研究。
科学研究的管理是反映一个国家科学研究水平的重要标志，如我国设立了国家和省、市、县的各级科学技术委员会、科技厅、局或科学技术协会，还相应设立情报资料、出版、网络中心，建立仪器、设备、材料等专业制造厂、标准计量单位、人才培训、生活服务等多种科研后勤服务部门。上述各类系统和各级机构相互联结，形成了比较严密的社会结构，表现出一个国家和社会的科学研究体制。
20世纪后期随着世界多极化、经济全球化的格局出现，科技——经济全球化的国际合作也得到一定的发展，许多跨国公司、集团公司相继建立，科学成为一项国际事业或产业。建库网-免费建筑资料下载网站
早在1981年，我国著名科学家钱学森就提出，科学是一种新的产业，并提出“第四产业”的概念将“科学、文化、教育、卫生、出版等创造精神财富的行业”定位为第四产业。
（4）科学是特殊的社会生产力
“科学技术是生产力”是马克思主义的观点，他指出“生产力也包括科学”并进一步阐明“社会劳动生产力，首先是科学的力量”的论断。邓小平创造性地提出：“科学技术是第一生产力”这是对马克思主义理论的重大发展。
科学技术是特殊的生产力。科学在未与生产结合之前，它是以知识形态存在的一般生产力；科学一旦应用于生产，便物化为直接的生产力。
（5）科学是社会文化的基本形态
科学这一特殊的社会现象，不仅是理论知识体系，是一种社会活动、社会建制和社会生产力，而且与人类的文化密切联系。科学文化和人文文化一起，共同构成社会文化的基本形态。
文化一词源于拉丁文的cultura，英文culture，把文化作为专用术语最早引入社会科学的是英国人泰勒。他在1871年《原始文化》一书中将“文化”的内涵界定为：包括人类的知识、信仰、艺术、道德、法律、习惯以及其余从社会上学到的能力和习惯在内的复合体。
一百多年来，各国众多的学者对文化概念下的定义有200多种，综合许多学者对文化的概念：人类在改造客观世界的社会实践过程中创造的各种各样形态的事物所组成的有机复合体。它标志着一定社会区域的物质和精神的发展水平，并融化为人们的价值观念和行为规范，从而形成这一社会区域的特定组织结构和生活方式。所以文化是有形态、有层次、有结构的有机复合体。
科学文化形态分为四个层次
第一是科学器物层次
包括人们因从事科学研究、科学教育、科学实验等的需要而制造并使用的各种特定的工具，器物和物品。器物层次的科学文化形态，能够较明显和较全面地体现出一定社会的科学发展水平和一定社会群体才智的高低。
第二层次是科学制度层次
它包括一切制度化的科研组织形式和科研活动、交流方式以及人才培养等。制度层次的科学文化形态对科学的发展能起到促进或延缓作用。
第三层次是科学精神层次
包括人们的科学思想、科学意识以及关于自然界、社会和思维现象的经验和理论。其实质就是关于人的科学思想、科学情感，科学意识和科学观念的综合表现。
科学器物层次和科学制度层次都是科学精神层次的对象化或物化，或者说是它的“外化”。
第四层次是科学价值规范层次
主要是指人们的科学价值观念和科学行为规范。这是科学精神层次长期作用形成 的人们对科学的心理积淀，或者说是“内化”，是科学文化形态的深层结构，是最不易变更的成分。
科学不仅包含认识自然、社会、思维现象和对这些方面进行改造而总结出来的众多的知识，以及由此而建立起来的知识体系和理论体系，而且还包括在科学研究活动中所形成的一整套科学思想、科学精神、科学方法、科学制度和科学道德规范，以及由此而建立起来的科学价值观念、科学价值标准和科学活动行为准则。此外，还包括由科学转化而成的技术，从技术物化而成的技术设备和物质产品。
技术概念和本质特征
(1) 技术概念
简单地说，技术是将科学理论转换成社会生产力的工艺方法或工艺过程，它是人类利用自然能力的标志。
技术是依据自然规律，运用一定的科学手段、方法，特别是以机械、设备、仪表、网络为中介，对物料、能源、信息进行加工和转换，以满足人类需要的实践活动，成为反映知识经验、科学理论和物质设备三方面的技术理论、物质手段和工艺方法的总和。
技术的概念随着时代的变迁而不断发展。
(2) 技术的本质特征
第一个特征是 技术是客观的物质因素和主观的精神因素相互作用的产物
第二个特征是 技术是直接的生产力
第三个特征是 技术是人们改造、控制、利用和保护自然的一种动态过程。
科学与技术的关系
(1) 科学与技术的区别建库网-免费建筑资料下载网站
首先，表现在两者的目的和任务的不同
科学的直接目的是认识世界，探索和揭示未知事物规律，增进人类的知识财富。它侧重回答客观事物“是什么”、“为什么”以及“能不能”的问题。而技术的目的和任务是利用客观规律，更有效地控制和改造客观世界，协调人和自然的关系，为人类创造和增进物质财富或为实现一定的目的提供方法和物质手段。它侧重回答社会实践中“做什么”、“怎么做”以及“做出来有什么用”等问题。
第二，科学和技术各自与生产关系不同。
人类的生存直接与生产相关，而生产又与技术直接相关，任何生产都离不开技术。而科学的出现比技术要晚得多，科学是在生产技术有了较大的发展，在阶级社会形成之后，有一部分成员有可能脱离生产劳动，专门从事科学研究时，才在总结技术经验中发展起来的。
自19世纪后半期以来，随着近代科学实验的奠基，科学技术对生产发展所起的主导作用逐渐加强。
三次产业革命（煤作能源发明蒸汽机；电磁感应定律发明了电动机、发电机；量子论、信息论、控制论开发出来的计算机）之后，科学通过技术推动生产发展的作用更加明显，形成科学技术走在生产前面，以科学为主导，技术为中介，生产为目标的新关系。即由早期的生产—技术—科学的关系转变为现代的科学—技术—生产的关系。这一转变从主流方向上反映了现代科学技术和生产发展的重要规律性。
第三 科学和技术的社会功能和价值标准不同
科学具有广泛的社会作用，具有认识、文化、教育和哲学等多方面的理论价值和学术价值；而技术是社会目的性和客观规律性的直接统一，它直接追求经济的、社会的或军事的实际效益。
第四 科学和技术的研究过程和劳动特点各异
科学研究是创造知识的探索性活动，其目标相对不确定，自由度较大，选择余地大；而技术是综合利用知识于需要的研究，具有相对确定的目标、方向和步骤，计划性强。
第五 科学和技术的成果形式不同
科学成果是新现象，新事物、新规律、新法则的发现；技术成果还是新工具、新设备、新工艺、新方法的发明和创造等。
（2）科学技术的相互联系
首先，科学与技术所追求的最终目标都是创建缔造物质文明和精神文明，科学与技术是世界是在认识世界和建设社会的共同基础上统一起来的。
第二，科学与技术的发展互为前提，相互促进，相互渗透，融为一体。科学中有技术，科学靠技术去开发应用，通过实践去验证，如化学中的能源技术；技术中有科学，技术要科学作后盾，技术发明要科学作理论依据，如计算机中的电子学和信息论；技术产生科学，如发酵釀酒发展了生物科学；科学也产生技术，如天文学促进发展了火箭技术和航天飞机。
第三 近代科学的发展促使科学与技术进一步融合逐渐走向一体化，即科学技术化和技术科学化。建库网-免费建筑资料下载网站
重大科学研究离不开先进、复杂的技术手段，如人类登月，开发火星离不开机械、电子、材料、信息、控制、能源、监测、导航、电子计算机等各类技术，而且科学研究工作本身也越来越带有工程技术的特点，表现科学技术化的特点。
技术的科学化主要表现在：
（Ⅰ）许多传统技术日益转移到新科学理论基础上而推陈出新。如传统的机械加工技术日益转移到机电一体化、使用等离子体、激光技术、电火花等加工技术。
（Ⅱ）当代的重大技术创造如核能技术、太阳能技术、激光技术、微电子技术，基因工程等都是在现代科学的基础上开发出来的。没有科学的超前发展就没有新技术革命。现代自然科学已成为技术性很强的科学，使技术真正成为科学化技术——技术科学化。
第四 现代科学技术的一体化形成大科学系统
当代科学技术系统的总体结构可表征为由各门基础科学及其技术科学、工程技术（工程科学）构成，并由各层次，各学科的边缘学科、交叉学科、横断学科，综合学科的联系和过渡而结成大科学系统。
所谓横断科学是指某个科学分支中的一个侧面，而这个分支中的一个侧面又对某一科学起着关键的作用。如人类登月或开发火星其中太阳能电池和和机器人的机械手，就是半导体硅谷和遥控技术的横断学科。
科学和技术的融合和统一是现代科学技术发展的重要特征之一。
科学技术与社会的融合（整合）
现代科学技术革命性的发展，科学技术的社会功能全面扩展和充分发挥，科学技术对社会的发展越来越显示出战略性的作用。但科学技术在社会应用中的负面效应也日益严重和恶化，人类面临种种全球性危机。因此科学技术与社会关系的融合就成了当今普遍关注的重大课题。
科学的社会化
（1）科学研究规模的日益扩大
国际上用“研究与开发”（R&D）来表示科学研究，：“R&D”是research（科学研究）与develop（开发、发展）的组合。科学研究是创造、整理、扩充、开拓知识开辟新用途的探索工作。现代科学产生于上世纪，其发展速度之快令人惊叹，进入新世纪科学在高度分化基础上的高度综合趋势日益加强。各科学之间出现了大量新科学和新专业，构成了庞杂而严密的科学体系结构。科学的研究从过去的个体研究代之于集体研究方式。
许多重大的科研项目并非一国所能独立承担而日益走向国际化。例如欧洲航天计划、美国开发月球和火星计划、人类基因组计划（HGP）等都由美、英、日、德、法、意、俄等参加。
（2）科学技术不断向社会各个领域渗透
科学技术尤其是高新技术的飞速发展，正在改变着整个社会面貌，影响着人类的前途和命运，对一个国家的工农业生产和国防建设甚至世界的政治、经济、文化，外交，教育，人民生活，国民心理，思想方法，伦理道德和宗教领域，产生重大影响，成为影响综合国力的核心要素。
技术社会化
技术是人类在物质文明与精神文明建设过程中各种物质与非物质手段和方法的总和，它在现实社会中起到科学转化为社会生产力的中介作用。技术的发展与社会进步密切相关，渗透到社会的各个方面，其实质就是技术发展的社会化问题。
（1）技术发展的社会化对社会的影响和作用
技术发展对社会起着推动历史前进强有力的杠杆作用。技术在当今社会中是劳动生产率迅速增长的重要决定因素，它在科学研究与社会生产之间起到中介作用，也就是说科学对生产力的发展只有通过技术这个中介环节才能实现。
技术对现代社会的发展起到越来越重要的作用，它不但对生产力的发展和劳动生产率的增长起着决定性作用，而且已渗透到上层建筑，意识形态和生产生活的各个方面，并作为现代教育、文化、宣传、体育、卫生、艺术等领域发展重要的物质基础。技术对国家和社会的科学管理、领导决策、重大军事行动、政治经济问题决断、重大工程项目的立项、资金、人力、设备、生产资料的调拨与调济都要借助于技术手段才能实现。
技术成果的转化为生产力，技术成果的商品化、市场化是技术社会化的集中表现。
（2）技术发展社会化的规模越来越大
从1876年发明大王爱迪生组建了世界上第一个研究机构“发明工厂”，1887年电话发明家贝尔在美国组建了电话研究所开始，到现在已发展成为规模庞大的科学技术综合研究机构，培养出了许多诺贝尔奖获得者，促进了近代科学体系的建立。特别是到了20世纪的30年代出现了国家规模的科学技术研究机构，如火箭技术、原子能技术、半导体技术、激光技术、空间技术等。随着科学技术研究的深度和广度的发展，越来越多的专业结合的跨国研究项目的出现，需要国际性技术合作才能开展研究活动。如国际上的太阳观察研究、高能加速器的建造、核聚变能的研究、深海油气田的采钻研究、太空探测与宇航研究、南极考察研究等许多综合性很强的科技项目都出现了国际合作的新趋势。
（3）现代技术发展社会化趋势加速
科学技术的新发现、新发明、新成果不断涌现，技术发展的速度愈来愈快；科学技术转化为生产力的速度加快，从科学发现、技术发明到实际应用的周期愈来愈短；新技术、新产品、新材料更新的速度愈来愈快、技术竞争性愈演愈激烈。所以，伴随着社会生产力高速度发展的需要，新旧技术更新速度的加快以及技术人才素质的不断提高，技术科学研究、技术基础教育、技术转移过程、技术体系改造等方面都需要增加技术的投资，创造技术发展的内外条件都要求技术发展的社会化。
人化自然的社会
人化自然或自然的人化，是指社会化的人为了从自然获得更多的物质产品和更舒适的生活条件及物质享受，应用科学技术和各种手段，在干预和改造自然的过程中所创造的属于人的自然。包括人改造自然，控制自然的手段以及人工创造的自然产品，也包括人类活动影响而改变的自然环境，同时还包括人类对自身的改造。
在自然人化的进程中全球生态危机，生态恶化的趋势难于逆转，引起关注。
当人类干预自然超出了自然界本身再生能力和自我调节能力，自然界不能及时地吸收、净化、修复人类对环境生态所造成的破坏而造成的影响时，就会造成生态平衡失调，给人类的健康及生存发展造成重大影响。
现代科技革命所带来的人对自然的巨大干涉能力，超过了自然自我修复的极限，环境污染和自然生态的破坏达到空前尖锐的程度。从而导致了生态问题的全球化。这个问题要靠人类理智地协同解决，否则会给人类带来灾难性的后果。
《科学技术与社会进步》研究和学习方法
STS研究
STS是科学技术与社会的英文缩写（science technology society），是20世纪60年代开始出现“大科学”观念的同时兴起的一门多元关联、交叉、综合性的新科学。
STS研究目前已发展为把自然科学、技术科学、管理科学、人文科学、社会科学、思维科学相结合的一大类新科学群。包括科学社会学、科学文化学、科学学、科学认识论、科学价值论、科学文化学、科学伦理学、技术社会学、知识社会学、网络社会学、环境社会学、知识经济学、技术哲学、技术文化学、科学社会史、技术史、创造学、未来学、科学方法论、科技与管理学、科学与公共政策等众多学科。
学习方法
理论联系实际，增加信息量，扩大知识面介绍科技发展前沿。开展多视角、多层次、多形式和多学科交叉、融合的关联性、综合性的理论研究及政策性的应用研究。介绍天文、地理、历史、生物、环境、健康、生态等方面的相关知识，联系社会历史事件和伦理道德观念得到启迪与思考。
第二章 科学与技术的社会功能
科学技术的起源与发展
人类的历史还不到地球发展史的几十亿年的千分之一，而人类历史的99%以上的时间又是漫长的原始社会。人类创造自己的文明史只有五六千年，但是真正把科学技术广泛应用到生产上，并引起社会生产、生活的巨大变革还不到300年。而现代科学的建立并普遍认识到科学技术是生产力对人类社会进步所起的推动作用，则是近50年的事。
人类远祖在前肢从爬行中进化成双手之后学会制造工具，不断地寻求劳动工具与劳动对象的客观规律，在体力劳动过程中寻求规律的思考就产生脑力劳动，也就是科学技术的开端。认识事物、寻求事物发展变化的规律，这是由个别到一般、由局部到整体、由实践到理论、由现实到规律的思考过程，就是这个过程推动了人类社会的进步。
早期科学技术萌芽
（1）主要的技术成就
人类历史大约可追溯至200~300万年之前。旧石器时代—工具—狩猎，发明弓箭，发明用火；新石器时代——制陶术，冶炼铜、红铜、青铜（合金）；铁器时代—制造工具、开始农业为产生科学文化准备物质基础。
（2）主要科学成就
探索世界本原的元素论和经典原子论，古代自然哲学原于古希腊。
水论——泰勒斯（公元前624~547）认为世界的本原是水，即万物起源于水又复归于水。
火论——赫拉克特（前500~480）认为火是生成万物的元素。
原子论——留基伯（前500~440）和德谟克里特（前460~370）认为世界万物都是由最小的不可分的原子和原子间的虚空构成。
发明几何学，早期几何学代表人物毕达哥拉斯（前580~500）。
主要成就是证明了直角三角形定律(勾股弦定律)。欧几罗得(公元前450~374)全面系统总结了古希腊几何学的成果写成了《几何原本》不朽著作，是建立逻辑推理的最早典范。
朴素的宇宙论和不断完善的地心说，托密勒(公元90~168)继承发展了亚里士多德(前384~前322)地心说几何模型，在欧洲天文学中占统治地位。
力学\生物学和医学的创立
公元323、古希腊科学文化中心由雅典转移到意大利亚历山大城进入罗马时代，阿基米德（前287~212）创立物理发现了杠杆原理和浮力定理，奠定了静力学基础。
亚里士多德创立生物学，特别是在动物学方面，记述了约500种动物，并对其中的50种解剖记述和插图对生物进行初步分类。
希波克拉底（前460~前377）创立医学形成学派，坚持把疾病看作是一种要服从自然法则过程强，调用细致的观察来研究疾病，因而对许多疾病进行了描述，并提出了适当的治疗方法，是现代临床医学的开端。
人类奴隶社会科学文化高峰发生在古希腊和罗马时代，而封建社会科学文化高峰则发生在中国。
中国古代数学体系在秦汉时期形成了《周髀算经》和《九章算术》发明了当时世界最先进的十进位记数系统。
秦汉时期的农业耕作已非常发达，发明了历法（阴阳历）观测天文天象，预报日、月食。
秦汉时期已建立医学，以华佗为代表的医学，在宋、元时期已形成生理病理学，临床诊断学，药物学，针灸学，推拿技术等。
战国时期的冶金、纺织、建筑、造船、制漆等手工作坊的生产已很发达。
美国科技史专家李约瑟博士在《中国科学技术史》中说：“中国古代的发明和发现往往是超过同时代的欧洲，特别是15世纪以前还是如此。”“在3~13世纪，中国保持一个让西方人望尘莫及的科学知识水平。”
近代科学技术的产生
近代自然科学的产生
（1）近代自然科学是文艺复兴运动的产物
文艺复兴运动是14世纪至17世纪初，首先从意大利开始席卷欧洲，提倡思想解放，追求真理的科学精神，从根本上动摇了宗教神学强加于科学的沉重枷锁，为近代唯物主义哲学和实验科学的产生奠定了基础。
这一时期的代表人物有达·芬奇、伽利略、哥白尼等一大批人类思想史和科学史的巨人，其中作为新的科学方法论的首创者——培根（1561~1626）积极倡导观察、实验、归纳、分析、比较、发现真理、验证真理的新三段思想方法，主张“学者深入实际”实现“学者与工匠的结合”，“知识与力量的结合”的学问大革新。
（2）近代自然科学从神学中解放出来
哥白尼的天文学革命。在此前1300多年里，人类对宇宙的认识始终被禁锢在神学划定的“地球中心说”。1543年哥白尼（1473～1543）出版了划时代意义的《天体运行》一书，用数学计算和实际观察，完整地提出“太阳中心说”，解释了昼夜和四季交替，确定了太阳系中几大行星排列次序，指明月亮是地球的卫星。
在这场科学真理与宗教迷信的殊死搏斗中，布鲁诺、伽利略，开普勒等人都作出了悲壮与卓越的贡献。
布鲁诺（1548~1600）宣传日心说，指出宇宙存在无数星系，太阳只是太阳系的中心，而不是宇宙的中心，还认为科学应当根据实验，不应该根据定义，因而只有一种真理，而没有宗教的“真理”，由于布鲁诺违反教义，在经历了16年流亡生涯后被罗马教皇活活烧死。
伽利略（1564~1642）意大利著名的物理学家、天文学家，1610年他用自制的望远镜发现木星有4颗卫星、金星盈亏、太阳黑子等现象。由于支持、宣扬哥白尼学说，受到长年监禁，他的“罪名”直到350年后的20世纪80年代才得到彻底的“平反”。科学真理战胜迷信的道路是多么曲折而漫长！
开普勒（1571~1630）著名天文学家，发现和总结了行星运动三大定律——开普勒定律：
1、行星在通过太阳的平面内沿椭圆轨道运动，太阳位于焦点之一。
2、行星绕太阳运动时，它的向径在相等的时间内扫过的面积相等，即面积速度为—常数。
3、太阳系内所有行星公转周期T的平方与行星轨道半长径a的立方之比为一常数。
G为万有引力常数 M为太阳质量
纠正了“一切天体运动是园运动”的偏见。
开创近代实验科学
近代自然科学就是在科学实验的基础上产生和发展起来的，没有科学实验就没有真正意义下的近代科学和现代自然科学。
实验物理学的创始人是伽利略，开创了通过实验总结物体运动的规律和定律，成为近代力学的创始人。
现代医学的创始人是英国医师哈维（1578～1657）。通过实验论证了心脏运动的作用和血液循环的学说，在医学科学方面发动了一场革命，医学实验方法的成功为生物学和生命科学奠定了基础。
牛顿经典力学体系的形成
牛顿（I·Newton，1643~1727）是人类认识自然的第一位理论大师，在他的巨著《自然哲学的数学原理》一书中，牛顿对质量、动量、惯性、力以及时间、空间等基本物理概念予以严格的定义，根据实验和数学计算，系统地论述了著名的牛顿力学三大定律。运用演绎法推导出万有引力定律以及固体力学，流体静力学，流体动力学的各种定律。用已确立的力学规律对潮汐，岁差，彗星轨道等进行了科学的分析。
牛顿力学是整个近代物理学和天文学的基础，也是现代一切机械、土木建筑、交通运输等工程技术的理论基础。
2.２.４近代自然科学的发展
18世纪下半叶到19世纪下半叶，近代自然科学进入了理论综合发展的阶段，揭示自然界中普遍存在的联系与自身运动成为自然科学研究的中心任务，近代自然科学取得了一系列重大成就，获得了全面发展。
（一）天体演化和地球演化
（1）康德—拉普拉斯太阳系星云形成说的客观性（1755～1796）。
（2）赖尔的地质演化学说揭示地球地质演化进程（1838）。
（二）生命世界的观察生命科学的诞生
（1）细胞学说的创立
德国植物学家莱登首次创立了植物细胞学说（1838）。
德国动物学家施旺把施莱登的学说扩展到动物界形成了适用于整体生物界的细胞学说。
细胞学说的建立，表明动植物之间没有绝对的区别，因为这两类有机体都是由细胞分裂，增殖和发展后形成的，揭示出有有机体起源的共同性，从而从细胞层次上论证了整个生命世界的内在联系和有机统一。
（2）生物进化论的确立
长期以来，物种不变论和神创论在生物学界占统治地位，第一个提出生物进化学说的是法国科学家马克（19世纪初）。他认为物种不是一成不变的，也不是上帝创造的，而是在环境影响下发生变异，并在逐渐演变，由一个类型演变成另一个类型。
系统地建立科学进化论的博物学家是达尔文（）（1809～1882）他提出以自然选择为核心的生物进化学说（1859），其要点：
a生物包括人在内都是在自然条件作用下，从简单到复杂，从低等到高等逐渐进化的。
b环境的变异可引起生物物种的变异，变异是生物所具有的普遍现象。
c在生物界进行激烈的生存斗争，变异后的物种，适于生存便保留下来并产生新的后代；不适应者则逐渐灭亡。即生存竞争，适者生存，不适者淘汰，这种过程称为“自然选择”法则。物种在生存斗争中经过自然选择，逐渐产生新的物种，实现生物的进化。
（三）物理学的长足发展
（1）能量守恒和转换定律
19世纪30~40年代间在五个国家由六、七种不同职业的十几位科学家，分别从不同侧面独立地提出了能量守恒和转换定律。其中最著名的是英国物理学家焦耳（J·P·Joule 1818~1887），他经过近40年的努力（1840~1878）确立了能量守恒定律：自然界中一切物质都具有能量，能量不能消灭，也不能创生，只能由一种形式转变为另一种形式，在转换和传递中，各种形式能量的总和不变。
（2）经典电磁学
1831年英国科学家法拉弟（1791~1867）发现了电磁感应，为发电机的发明提供了理论基础。
1865年英国物理学家麦克斯韦（1831~1879）创立了电磁学说，还推导出电磁场的波动方程，预示了电磁波的存在，预言了光也是一种电磁波，把光、电、磁三种现象统一起来，使光学、电学、磁学形成一个具有统一理论基础的知识体系。奠定了现代电力、电子和无线电技术及其产业的理论基础，为近代第二次产业革命提供了理论的保证。
（3）化学新成就
a国化学家拉瓦锡（1743~1794）通过实验发现了氧，创立了“氧化学说”，推翻了“燃素说”
b原子—分子论的创立 英国化学家道尔顿（1766~1844）首先提出物质由原子组成的基本概念（1803~1808）；意大利物理学家阿弗加德罗提出了分子的概念（1811）使原子分子论得到初步确立，为化学奠定了重要的理论基础，推动了19世纪中叶实现对原子量的测定和分子组成的研究。
C元素周期律和元素周期表的创立
俄国化学家门捷列夫（1834~1907）在1869年发现周期律揭示了元素性质与原子量之间周期性关系，表明自然界存在着一个严整的元素自然序列体系。根据这个规律，不但可以有计划有目的地寻找新元素或人工合成新元素。而且可以全面把握各种元素的性质；周期律不但在化学领域具有重大意义，而且在物理学中对量子力学、原子物理以及核物理学中也具有重大意义，促成了原子能，核裂变理论与实践的重大发现和应用，同时对进一步揭示微观世界、微观粒子的研究具有划时代的意义。
D有机合成与有机结构理论的建立
1828年武勒人工合成尿素，此后一系列人工合成有机物获得成功并促进了有机结构理论的创立，为石油化工工业、塑料、化肥、化纤、染料、制药、炸药等新材料、新产品、新技术的应用奠定了坚实的理论与实验基础。
现代科学的发展
19世纪末物理学的三大发现
（1）X射线的发现
德国物理学家伦琴（1945—1923）于1895年在研究阴极射线的实验中，意外地发现了一个穿透力很强的射线—X射线，孕育着新技术的诞生和广泛应用。
（2）放射性的发现
法国物理学家贝可勒尔（1852—1908）于1896年在研究X射线与荧光物质的关系时引导他发现了铀原子的天然放射性。1902年卢瑟福（1871—1937）又进一步阐明放射性的本质就是放射性元素的原子核自发地蜕变成另一种原子核的过程，与此同时放射出另一种能量很高的射线，随着发现了钍、钋、镭、等放射性元素。特别是铀235的放射性为原子能的利用奠定基础。
（3）电子的发现
英国物理学家汤姆生（1856—1940）于1897年在研究阴极射线时证实阴极射线的本质是带负电荷的一束粒子流、并测出了阴极射线粒子的质量约为氢原子质量的1/1837。他当时把这种组成原子的粒子称为微粒，即后来被称为“电子”。
电子的发现否定了2000多年来认为原子是组成一切物质的不可再分基元的传统观念，预示着原子内部有特殊结构，为原子结构理论的创立和电子学、电子技术的利用立下了不可磨灭的功勋。
相对论的建立
德国科学家爱因斯坦（1879—1955）于1905年创立了狭意相对论，主要论点：
（1）同时性的相对性 即两个事件是否同时，在不同的惯性系看来是不同的，同时性并不是绝对的而是相对的；（2）长度收缩 运动着的物体在其运动方向上的长度要比静止时短；（3）时间延缓 运动着的时钟要变慢；（4）动质量增大 运动着的物体的质量随着速度的增大而增大；（5）光速是运动物体的极限速度，即任何物体的运动速度都不能超过光速；（6）物体的质量（m），能量（E）之间服从质能关系式：E=MC2（C为光速C=30×104 Km/S）。
狭意相对论揭示了时间、空间与物质不可分割，随物质运动状态而改变。
相对论的核心是观察物体运动的“四维”空间，即质量、速度、距离和时间，它们之间是相互联系的。
相对论的理论依据是物体的运动速度极限是光速，光在真空中的速度始终保持不变，更重要的是，它与观察者的速度无关（1光年（）=30×104×365×24×3600=×10 12Km）。
相对论的实验依据是假设有两个飞船，若飞船A以的速度朝一个方向运动，飞船B从对面方向飞来，速度也是，按牛顿力学，A和B的相对速度A+B=，但实际情况并不是。而是必定小于1C（爱因斯坦计算应为）
L A-B的相对距离，H运动物体指示时间，h静止物体时间。由此会得出惊人的结果：
如果人能够以光速旅行，他最少会经历三件事：时间变得停滞（变慢）；自身的体积缩到无限小；本身的质量却变得无穷大。
为什么会产生这种现象，原因是速度极限—光速。
爱因斯坦的广义相对论要点：
广义相对论是一种引力场理论，在引力场中，现实的物质空间不是平直的欧几里得几何空间，而是黎曼几何的弯曲空间，其弯曲度取决于物质在空间的分布情况，物质密度大其空间引场的强度大，空间弯曲得越厉害，即空间取决于引力强度，引力强度大，时间也会变慢。
广义相对论进一步揭示时空的性质不仅取决于物质的运动情况，而且也取决于物质本身的分布状态。
广义相对论的验证
水星轨道近日点的进动；光谱线红移；光线在引力场中的偏转
狭义相对论研究的物体是恒速运动的观察者。
广义相对论研究的物体是加速运动的观察者。
狭义相对论只考虑
了恒速运动的观察。广
义相对论是对加速运动
的观察。
爱因斯坦设想一架
处于自由落体状态下运
动的电梯。当一束光线进入墙上的一个小孔，电梯里的人观察到光线沿直线行进；但是对于电梯外面的观察者来说，光却是沿曲线进行。为什么会这样？爱因斯坦指出，这一弯曲是由于电梯正在加速引起的。由于引力是一种形式的加速，光会因此而弯曲。
一张平铺的橡皮垫
在中间放一重铁球，垫
子被重球压迫而变形。
同样，时空在一个像恒
星这样大质量的物体周
围因受恒星大引力作用，
物体周围会扭曲。
让一颗小球在靠近重球的橡皮垫上滚动，它沿着一条曲线滚动，恰似恒星附近的光线一样光会发生扭曲而偏转，时间出会变慢；
光线在重引力场中会发生偏轨；
水星在近日点加速
运动——近日点进
动，也是广义相对
论所观察的一种现象。
量子论的创立
所谓量子是指单个的，不连续的。
1900年，德国物理学家普郎克（1858～1947）提出量子论学说，认为物体在辐射和吸收能量时，能量是不连续的，而是有一个最小能量单元，被称“能量子”，简称量子，1905年爱因斯坦认为光也是不连续的，提出了“光量子”，认为光是由不连续运动的光量子（粒子）组成。
玻尔（1885～1962）的原子结构的量子化理论
1913年丹麦物理学家把卢瑟福的原子核模型与普朗光的能量子学说结合起来，提出原子中的电子只能沿着一些特定的轨道上绕原子核运动，电子在这些轨道上运行时不吸收也不辐射能量，处于稳定状态，若电子吸收外界能量则成激发态发生跃迁；若电子受某种扰动也可产生辐射现象，为量子论建立奠定基础。
量子力学的建立沿着两条不同途径通过四位科学家的独立研究共同创立的。
一条是1924年法国物理学家德布罗意（1892～1987）提出物质波理论，认为任何粒子（光子、电子）运动都县有波动性，它的波长与它的动量成反比，并发展了波动方程的学说。
1926年奥地利物理学家薛定谔（1887～1961）在他的导师德拜的指导和帮助下，发展了德布罗意量子力学波动说观点，系统地描述原子核外电子运动的薛定锷方程。
量子力学另一条道路是德国物理学家海森堡（1901～1976）等人创立矩阵力学的探索之路，他首先提出测不准原理，即电子运动的轨迹和某时刻的位置不是固定不变的，两者不能准确的同时测量到。之后他和玻恩（1882～11970）、约尔丹（1902～）合作，共同建立了量子力学理论系统，即矩阵力学。
英国物理学家，狄克拉（1902～1984）运用数学计算使量子力学成为更完整的体系。波动力学和矩阵力学两者成为量子论坚强的支柱。
量子力学反映了微观世界物质运动规律的特殊性，使人们对自然界的认识实现了从宏观世界向微观世界的飞跃。量子力学的建立大大促进了原子物理，粒子物理，凝聚态物理等物理学前沿的发展，促进了量子化学的产生，及激光技术，虚拟技术的研究和开发应用。
现代自然科学的全面发展
20世纪以来，现代自然科学不仅在涉及全局性的科学基础理论如相对论，量子论这样新的革命性的突破，而且在各个传统学科领域里也取得了革命性的进展。如地球科学中的板块构造理论学说的建立，开创了人类对地球史认识的新阶段。
分子生物学的建立，实现了人类对遗传物质基础认识史上的一次划时代的突破，开辟的生物技术，细胞工程，基因工程、酶工程和发酵工程，使人类对生命科学的认识向纵深方向发展；天文学领域，天体演化学说和宇宙学的诞生，使人类的视野推进到200亿光年的大尺度的空间范围……。
现代自然科学一方面向微观深层和宏观广度的纵向发展，另一方面又向综合，横向发展，出现了环境科学，能源科学，材料科学等综合型科学；出现了信息论，控制论，系统论，协同论，耗散结构理论，混沌学等横向型科学，边缘科学，交叉科学，成为新世纪自然科学基础理论科学突破性发展的一个重要方面，其特点是既高度分化又高度综合的全面发展中，对整个人类社会的各个方面也产生了极其广泛而深刻的影响。
现代科学技术的发展趋势和基本特点
科学技术迅速发展和急剧变革
（1）现代科学技术发展呈指数增长的趋势
截至1980年，人类获得的科学知识90%是第二次世界大战后的30多年中取得的，到2000年翻了一番，最近50年来人类所取得的科技成果、技术发明的数量远远超过以往5000年的总和。
（2）当代科学技术发展的新阶段
20世纪中叶以来，科学技术的发展经历了5次重大的变革
在第一个10年（1945~1955）以原子能的研究与利用为标志，人类开始了核能利用的新时代。
在第二个10年（1955~1965）以人造卫星的发射成功为标志，人类开始向外层空间进军。
在第三个10年（1965~1975）以重组DNA成功为标志，基因工程正式踏上历史舞台，人类进入了可控制遗传和生命过程的新阶段。
在第4个10年（1975~1985）随着微电子技术的迅速发展，以微处理机的大量生产和广泛使用为标志，揭开了以电脑扩大人脑能力的新纪元。
在第五个10年（1985~1995）以软件的大规模开发与产业化为标志，人类迈入了知识经济的新时代。
进入21世纪以计算机互联网为标志，人类进入了一个可在虚拟空间里实现信息交换与信息共享的信息时代。
纳米科技与人类基因组计划的重大突破，预示人类将在进一步破译生命秘密的基础上展示神奇生命世界的诱人前景，预示着新一轮的科技革命即将到来。
现代科学的主要发展趋势
物理学和生物学成为20世纪带头学科，基础自然科学的体系以它们为核心形成了物质科学和生命科学两大综合科学。
自然科学发展的第一个主要趋势
一方面物质科学继续揭示自然界更深，更广，更久远的层次和各种极限状态下的物质运动规律；另一方面，系统科学与生命科学正逐步阐明与人类的关系更密切的各类复杂系统的行为规律，系统科学和生命科学将是21世纪的带头科学。
第二个主要趋势
现代科学在高度分化的基础上产生了高度的综合，综合表现为多层次，多维度的科学交叉与渗透，更表现为横断学科和综合性的学科群不断出现，各门学科之间的界限日益模糊，而普遍联系日益强化。
现代技术的主要发展趋势
第一，以基础自然科学新成果为先导的高新技术成为现代技术体系的带头技术。
第二，各门技术相互渗透，相互促进围绕某一大问题、大目标的解决与实现形成庞大的综合性技术群。
第三，综合应用多种门类技术的复杂大系统的研制开发成为技术发展的主要途径之一。
第四，以软科学为理论基础的多种社会技术成为现代技术体系的新门类。
第五，大多数技术创新出现于新产品的研制过程中。
科学技术发展的综合化趋势
（1）科学的技术化，技术的科学化相对应领域的科学与技术的衔接后相互渗透，相互包含以至融合成连续的整体。科学的技术化，是指在总体的科学活动中包含着大量的技术科学研究、技术发展研究和技术应用研究工作等方面的内容；技术的科学化，包涵双重含义，第一指已有的技术上升到技术科学，第二指技术创造发明是根据已有的基础科研成果，即技术进步是以科学的成果为依据。
在19世纪中叶以前，科学与技术是分离的，它们各自独立发挥社会作用，其发展往往是脱节的。技术的进步通常是依靠传统技艺的提高和改进，只凭经验摸索前进。科学理论也经常是跟在实践之后来概括和总结人们在生产技术活动过程中积累起来的经验材料。因此，经常会出现在科学上还未搞清的理论，在技术上却可以实现，如发明用火却是远在燃烧说学之前；而科学上已发现了的某些规律，在技术上却久久不能实现，如太阳热核反应放出高能量的理论早已建立，但太阳能的综合利用至今仍步履艰难等。关键性的技术突破常常与科学理论没有直接联系，但科学技术发展到今天，科学与技术的关系已密不可分，现代的技术发明越来越依靠科学的趋势又不容忽视。现代的技术完全是建立在科学理论的基础之上，现代科学也装备了复杂的技术设施。科学技术化和技术科学化就是现代科技术的显著特征。在一定程度上，科学正在变成技术，越是新技术，包含的科学知识越密集。高技术就是包含密集科学知识的技术，现代科学的进步就是依赖最新的复杂装备的支持才得长足的发展。
（2）当代科技发展的两种形式，当代科学技术发展有两种形式：一是突破，二是融合。突破是以研究开发新一代科技成果取代原有的一代科技成果；融合是组合多种专业不同领域的科技成果发展成为新技术。
科技的突破与融合既相互联系又有区别，第一，科技突破是从实验室开始，科技融合则是以市场需求开始，以市场为主导，主导研究与发展，而不是由研究开发引导市场；第二，科技突破可来源某一专业领域的信息，而科技的融合则是来源于各行业、各专业领域广泛的信息；第三，科技突破可以是本门学科、专业范围内、某一科技领域的最新发现或发明创造，而科技融合需不同学科、不同专业、不同技术领域和不同产业之间的通力合作，参与跨行业的开发研究。
现代科学与技术的结合已经形成了科学技术的统一体系，导致了新的跨学科研究领域的出现，促成了具有确定的特有概念和方法论的新科学和新领域的诞生，开辟了一个全新的研究系列。
（3）科学技术综合化趋势中的现代科学发展特征
Ⅰ研究的完整性 现代科学研究正在向微观世界各层次和宏观世界各层次两个方面延伸。对自然的认识深入到过程的动力学机制和与此相联系的结构功能。从层次、过程、结构和功能诸多方向揭示自然界的规律。
Ⅱ 研究对象的多科学性 现代科学研究的方法从比较单一的方法转向多种科学的研究方法。综合运用各种科学方法研究某一特定对象，这是当代科学研究的一大特点，特别是在高科技领域，研究的对象和课题大都具有多学科性。组织多学科的联合攻关是高科技研究取得突破性进展的主要形式。
Ⅲ 学科的多对象性 现代科学研究的领域和研究方向与横向和纵向科学的联系越来起紧密。特别是在高科技领域，各门科学的研究需要紧密配合。如航天技术离不开计算机科学、信息科学、材料科学、能源科学、心理学、医学、物理学、化学、机械、电子等多种学科的配合，当代科学研究是有高度的综合性，必须是学科配套、同步前进、整体突破。
Ⅳ 科学研究的信息化 现代科学研究从立项到实施的整个过程信息处理技术系统是当代科学技术发展的主导领域。信息处理系统的进步和急剧换代是当代科学革命过程的核心。
（4）科学技术综合化趋势中的现代技术发展特征
Ⅰ技术一体化 现代技术最基础的机械制造和电力电器，从单一的机和电转变为机电一体化，光（包括激光）电一体化，光机一体化、声光电一体化等。即机械技术和电子技术的结合、光与电子技术的结合，用光来代替信息技术中的电子，以进一步提高在信息储存和加工方面的效率；声光电机多媒体系统等。这种一体化趋势加快了现代科技的进程。
Ⅱ 当代技术向标准化、大型化、组合化、高速化、集约化和信息化方向发展，集约化是相对于粗放型的人海战术耗竭资源和能源而言，即现代技术正朝着节约劳动力、节约资源和能源的方向发展。
Ⅲ 高新技术赋予现代技术的新内涵，高新技术的特点是高精密性、高可靠性、高灵活性、少工序性、少排放或少废性，既保证最佳技术性能，又保证最优工艺质量，从宏观的机械加工向微观的改变物质结构的新工艺方向发展。
科学技术的综合化，要求按崭新的原则组织研究工作和生产过程，要求对科研、教育、生产体制进行革命性的转变。这将引起一系列产业结构，经济结构和社会结构的重大变革。
第二篇 当代自然科学重大基本问题
物质结构研究的当代进展
揭示物质构成之谜
根据现代科学研究的最新成果，物质的最小构成单元不再是分子、原子，而是夸克和轻子（电子是其中的一种），人们对微观世界的认识深入到10－17cm数量级。
表3—1 从分子到夸克、轻子的结构层次
层次序列
分子
原子
原子核
质子、中子
夸克、轻子
大小数量级（CM）
10-6～0-7
10-8
10-13
10-15
10-17
长度的十进制倍数的词头及符号
词头
符号
中文名
数值
metre
1m
米
1m=1metre
decimetre
1dm
分米
1dm=1/10m=10－1metre
centimetre
1cm
厘米
1cm=1/100m=10－2metre
millimetre
1mm
毫米
1mm=1/1000m=10－3metre
decimillimetre
1dmm
丝米
1dmm=1/104m=10－4metre
centimillimetre
1cmm
忽米
1cmm=1/105m =10－5metre
micrometre
1um
微米
1um=1/106m =10－6metre
nanometre
1nm
纳米
1nm=1/109m =10－9metre
picometre
1pm
微微米
1pm=1/1012m=10－12metre
1毫微米=1nm纳米=10-9m=10-7cm
表3—2 国际单位制中十进制倍数的词头及符号
词头
符号
中文名
数值
tera
T
垓、千京、兆兆
1012
giga
G
京、千兆
109
mega
M
兆
106
kilo
K
千
103
hecto
h
百
102
deca
da
十
10
deci
d
分
10-1
centi
c
厘
10-2
milli
m
毫
10-3
micro
u
微
10-6
nano
n
纳、毫微
10-9
pico
p
皮、微微
10-12
物质结构研究的新进展
物质结构研究的当代科学前沿是微观粒子物理学，其目标是探索物质结构的基本组成和它们之间相互作用的规律。半个世纪以来在对相继发现的数百种粒子性质的研究中，科学家们总结出微观粒子相互作用的规律：所有基本粒子的运动遵循四种基本的相互作用规律；夸克、轻子和传播子（传递力的粒子）是更为基本的粒子。四种基本力、基本粒子的性质和夸克、轻子模型构成当代对基本粒子研究的成果。
四种基本力
I万有引力 牛顿三大定律、爱因斯坦相对论表述其运动规律，属于宏观物体作用的长程力。
II电磁力 电——磁间的相互作用和相互转换，属于电磁体之间的作用力，也是属长程力。
电磁力范围非常广，包括物体内部张力，化学键力，摩擦力，磁场、电场力等，它与万有引力所不同的是，电磁力既在宏观物体，也在微观领域中都起着重要作用。
III弱力是微观粒子间的相互作用短力，主要表现在支配一些粒子的衰变和俘获现象，如β衰变、μ介子和K介子衰变等。
IV强力是强子及夸克间相互作用力，这种力使质子和中子组合成原子核，使夸克组合成强子。
弱力和强力只有在非常小的范围内才起作用，或者说只有微观粒子间的相互作用才显示出效应。在宏观物体中不能直接观察到。
基本粒子
物质由分子组成，分子由原子组成，原子由原子核和核外电子组成，原子核由质子、中子组成，质子由夸克、轻子、强子等一系列基本粒子组成。
到目前为止，人类已发现的基本粒子有几百种，按照质量递增的次序和参与作用的性质分成四类：光子、轻子、介子、重子。
微观粒子还具有双重性，即粒子性和波动性（波一粒二象性）。微观粒子在空间传播表现为波动性，而当它与物质相作用时则表现为粒子性。
夸克模型及夸克和轻子的对称性
强子是由三个更基本的粒子（上夸克、下夸克和奇异夸克）组成。为了寻找强子的内部结构，科学家们受门捷列夫元素周期表的启发，将已发现的强子按电荷、自旋等特征排列，构成一幅类似于元素周期表的规律性的对称图称为夸克模型。这一模型预言应存在一个新的粒子Ω－，后来果真在实验室中找到了它。
1974年，丁肇中领导的一个小组和B·里克特领导的另一个小组独立地发现了新的粒子，表示为J/4，其质量相当重，是质子质量的3倍多（），寿命却很长，大约是10－20秒，比典型的3电子伏的强子寿命长约1000倍，3个夸克的模型已不能解释它的产生和衰变特性。为了解释它，物理学家引入第四种夸克—粲夸克。J/4粒子被看作是由粲夸克和反粲夸克组成的束缚态。
1977年，美国哥伦比亚大学的莱德曼实验室又发现了一个称为r的新粒子，r粒子被看作是由第五种夸克—底夸克和反底夸克组成的束缚态。
1995年，美国费米实验室两个研究小组宣布发现了顶夸克。
研究表明，已发现的强子，都是由这六种夸克及相应的反夸克组成。如质子由2个上夸克和1个下夸克组成等。
基本粒子微观世界，许多问题还未认识，正在探索中。
表3—3 四种基本力及其性质
力 的 类 型
引 力
弱 力
电 磁 力
强 力
发生作用的范围
延伸到非常大的范围
约＜10－15cm
延伸到非常大的范围
约＜10－13cm
相对作用强度
10－38
10－13
10－2
1
传播子
未 知
中间玻色子
w+、w－和z0
光子
胶子
传播子质量
未 知
约90GeV
O
假定为O
引起过程所需时间
未 知
10－9S
10－21S
10－23S
表3—4 夸克的有关参数
名 称
符 号
电荷（e）
自 旋
质量（GeV/C2）
上夸克
u
2/3
1/2
下夸克
D
－1/3
1/2
奇异夸克
s
－1/3
1/2
粲夸克
c
2/3
1/2
底夸克
b
2/3
1/2
5
顶夸克
t
－1/3
1/2
（＞5）？
表3—5 三代夸克和三代轻子间对称性关系
第一代
第二代
第三代
轻子
电子
电子中微子
μ子
μ子中微子
τ子
τ子中微子
夸克
上夸克
下夸克
粲夸克
奇异夸克
顶夸克
底夸克
表3—5是按粒子发现的先后顺序分为代，每一列为一代，共有三列三代。是否还存在着更多的基本粒子？有没有第四代、第五代？是物质结构粒子物理学和宇宙学关心的新课题。
物质结构研究与其它科学技术发展的相互关系
微观粒子的研究促进高能加速器的发展
按爱因斯坦“质能公式”E=mc2（m是物质的质量，c是光速，E是代表该物质所具有的能量），要产生一定质量的粒子，需要相应的能量。上世纪50年代的加速器只能产生一束高能粒子，用高能加速器产生的高能粒子作“炮弹”轰击固定的“靶”就产生出新粒子。“炮弹”的能量不同，产生的不同能量的粒子，又促进了粒子物学理的更进一步发展，使更多的粒子被发现。
在粒子物理学中，100兆电子伏（100MeV）以下为低能（原子弹爆炸时的核反应作用在兆电子伏量级，在粒子物理中属低能）；100兆电子伏至3京电子伏（3GeV）为中能；3京电子伏以上称为高能。因此高能加速器是指粒子反应能在3京电子伏以上的加速器。目前在高能加速器的基础上又发展了对撞机，如正—负电子对撞机、质子—反质子对撞机、质子—质子对撞机和电子—质子对撞机等。对撞机的使用，又将粒子物理学大大推进了一步。
粒子物理学面临新的挑战
半个世纪以来，粒子物理学获得了惊人的进展，但仍有许多基本问题需要解决，诸如夸克和轻子是否有类似于原子—电子结构？基本粒子还能再“分”下去吗？夸克和轻子为什么会有不同质量？夸克、轻子是否只有三代？代的基源是什么？弱作用下粒子与反粒子变换——宇称联合反演对称性破坏的来源是什么？
这些问题都是微观世界粒子物理学研究的新课题。
粒子物理的贡献及其对其它科学技术的关系
粒子物理学的贡献首先是将人们对物质构成的认识大大向前推进了一大步，了解到构成物质的最小组元小到夸克和轻子（10－17cm数量级）。而认识的尺度相对于原子（10－8cm数量级）来说已缩小到原来的十亿分之一， 或缩小到原子核的万分之一（参见表3—1）。
粒子物理学的研究使我们知道了除了万有引力和电磁力之外还存在着弱力和强力；除了原子、电子之外还有数百种粒子；了解能量、空间、时间之间深刻的关系和微观世界存在着许多神秘尚待发现的规律，其中有些规律对我们进一步认识宏观世界也具有重要意义，对整个科学技术也产生深远影响，深化我们对物质世界的认识。近50年来在粒子物理学研究中获诺贝尔奖的科学家就有30多位，其中包括华裔美籍科学家杨振宇、李政道和丁肇中。
粒子物理学对基础科学的发展也带来新的机遇。粒子物理为宇宙学、天文学的研究与发展产生重大影响，使宏观世界和微观世界在粒子物理学中奇妙地结合起来。如对大爆炸理论模型的验证。
粒子物理学推动发展的高能加速器为相应的工业技术带来了发展的机会和条件，促进了广泛的经济领域中的应用，从而导致了许多高新技术的发展。如高频技术、强流技术、高真空技术、强磁场技术、超导技术、计算机应用等。而高能物理的发展又对这些技术提出更高更新的要求和发展的机会。促进了相应工业的发展。同时，粒子物理的实验技术开辟了在医疗卫生、工农业生产及其它领域的广泛应用。
粒子物理也促进了原子物理的发展，使这两个相关科学更加紧密联系起来。核子由夸克构成以及核力通过胶子交换等概念直接影响了核物理。高能轻子对核的散射实验表明，原子核不是一个简单的多个核子的集合体。
粒子物理学与天体演化研究的相互渗透、巧妙结合，产生了一些交叉学科，如中微子天文学、射电天文学、高能天体物理学等，为天体演化的研究开辟了新途径。
粒子物理中的量子场论的理论方法，已被用来解决固体物理、统计物理、等离子体物理、凝聚态物理等领域的物理问题，成为这些领域的一种必要的理论工具。
第四章 宇宙的起源与演化
宇宙概观
宇宙是空间和时间及物质三者相关的总体。
中国古代先哲曾提出：“四方上下曰宇，往古来今曰宙”。这是我们的祖先对宇宙最概要性的界定。
宇宙有没有起源和终结，它是永恒的还是演化的？这是每一种宇宙论都必须回答的最根本的问题。各种文明都有自己关于宇宙起源的看法。但人类对宇宙的真正认识在有自己几千年漫长的文明史中，只是最近几十年的事，而且对于这一认识还有待于进一步深化。
宇宙的起源
大爆炸宇宙学
宇宙在遥远的过去曾处于极高温度和极大密度状态的“原始火球”，当温度增大到某一时刻，火球发生了大爆炸，物质四散飞出，宇宙间充满光子、电子和中微子等基本粒子。爆炸后的碎片，烟尘不断向四周扩散，温度很快下降，当温度降到10亿度左右时中子开始失去自由存在的条件，它或衰变为质子和电子，或者和质子结合成氘，氦等原子核，化学元素开始形成。
当温度下降到数千度时，辐射作用减退，气态物质逐渐凝聚成气云。
此后温度继续下降，各种物质因凝聚而收缩，逐渐演变形成星系，物质的引力作用形成恒星、行星及其卫星、彗星等各种天体。
大爆炸的观测事实依据
（Ⅰ）河外星系的谱线红移
所谓红移，可用开普勒效应来比拟。
当一列离观测者远去的火车，其声音渐远，而另一列离观察者渐近的火车，其声音则渐近，这种远去的火车与相应定点火车声音的差距称为“红移”现象。
面向观察者的光谱向高频紫光移动 h1行进中物质光谱红光谱线位置
h2静止物质光谱红光谱线位置
天体光谱中红光向外位移，说明该天体在远离观察而去—向外扩充—宇宙膨胀，这是大爆炸理论的观察实验依据。
红移△h= h2 - h1的距离
1929年美国天文学家哈勃发现几乎所有的星系都有红移现象，红移星△h=Z=(入0－入e)/入0（入0为观察波长，入e为天体发射波长），折合成运动速度，可用公式V=Hr表示——哈勃定律，H—哈勃常数。由此可定量算出该天体远离我们而去的速度，因为所观察大部分星系谱线都有红移现象，证明确实宇宙在膨胀，是大爆炸的结果。
（II）宇宙中He元素和H元素丰度很高（He在不同天体中占25~30%），这是因为在大爆炸后一个很短时间内，早期温度高（10亿度）中子失去自由存在的条件与质子结合成He和21H（氘）。由于He很稳定，不易再参与反应而在宇宙中保存下来。H在宇宙中无氧气存在条件下，H也是很稳定，所以宇宙中H和He丰度高，而且He的丰度在不同天体中其丰度基本相同。这一事实也支持了大爆炸理论，各天体都是大爆炸物质所凝聚而形成的（按由2个质子与2个中子合成He，推算出He：H=1：4）。
（III）所有天体的年龄都小于200亿年——宇宙年龄
宇宙的年龄如何计算？
按照哈勃的发现，遥远天体（星系）发出的光，光谱谱线红移的事实，证明许多星系正在彼此远离。
哈勃定律对于我们认识宇宙作出重大贡献
哈勃的红移量
入o－入e
Z = = △h（入o—实验室观察实验光源的波长，入e某天体同一谱线的波长）
入o
V—哈勃计算天体（星系）远离我们而去的速度
V=HS 即红移速度与距离成正比（H-哈勃常数）
按牛顿力学 S=vt（S-距离，v速度，t-时间）
将星系的距离S，除以星系运行速度，可求出运行时间
S
t = ，就得到我们所观察到的许多星系距今约100~200亿年，
V
这段时间对所有星系来说是共同的，
哈勃进一步推论V=CZ=C△入/入0（C——光速）
显然 1
H = （因为S=Vt）
T
由此又算出星系远离我们而去的速度
在已观察到的众多星系中，用哈勃定律算出其最大年龄都不超过200亿年，哈勃的推论为我们推断宇宙起源于大爆炸理论的观察提供有力的证据。
（IV）微波背景辐射
热火球爆炸的另一个重要遗迹是微波背景辐射。大爆炸后的烟尘，弥散物质及能量向四周空间扩散，随着宇宙的膨胀，温度也不断下降，但只要有能量就有辐射，而且在宇宙空间的能量辐射与其所处温度有关。1964年，美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊用一架通讯电话在波段（波长）处探测到一种来自宇宙空间的强度与方向无关的信号，这种信号因为是在从宇宙深处不同方向接收到同一个强度相同的信号，是在一定温度下发生的能量辐射，由于这种辐射的峰值波长在1mm附近，处于微波段，又称为微波背景辐射。
这种辐射谱线分布与温度范围是在±°（t=°K+C°），经测量宇宙不同方向的微波辐射，其相对温度都小于十万分之一！这再次毋容置疑地证明宇宙起源于同一大火球大爆炸之后形成了宇宙。而且各星系尽管会有千差万别的物理化学因素，但其根本的共性是同一的！
恒星的一生
大爆炸之后，宇宙空间布满的弥散物质，气体云，尘埃等靠自身的引力逐渐凝聚，密度逐渐增大。当向内的引力强到足以抵抗向外压力时，它将迅速收缩落向中心，在收缩过程中释放出的引力能使原始恒星（炽热气体云团）温度上升，当中心温度上升到1000万K，足以引发热核反应时，一颗恒星就诞生了。恒星的质量则会由于产生的辐射太大而瓦解。恒星质量范围在~100个太阳质量之间，这类恒星比较稳定。近来，红外天文卫星探测到成千上万个正处于形成过程中的恒星。
恒星的演化
恒星形成之后，光和热的来源，是其中心由氢聚变为氦的核反应（4个氢原子聚合成2个氦原子）。当这种反应产生的辐射压力达到与引力平衡时，恒星的体积和温度不再明显变化，进入一个相对稳定的演化阶段，恒星在这一阶段停留的时间最长，占其生命的主要部分，称为“壮年期”。至目前发现的恒星有90%处于这一阶段（包括我们的太阳）。这一阶段的具体长度取决于恒星质量的大小，对于我们的太阳约为100亿年，到目前已经有50亿岁了，大约还有50亿年！对于质量比太阳大10倍的恒星其寿命只有3000万年。
当恒星核心部分的氢全部聚变为氦以后，产能过程停止，辐射压力下降，星核将在引力作用下收缩。收缩产生的热将使温度再次上升，达到引发氦燃烧的程度。结果将3个He核聚变合成一个碳核，反应中释放的能量使星体大大地膨胀，膨胀过程也不断消耗能量，表面温度降低，但体积膨胀到足以把水星、金星、地球都装进去，此时发出的辐射主要是红光，称为红巨星，恒星进入“中年期”阶段。
经过红巨星阶段，恒星进入“晚年期”，这时其核心部分产生一系列热核反应，当核心的氦全部变成碳后，又再一次引力收缩，压力和温度又再一次升高，于是发生碳——>氧、碳——>镁的反应，直至聚变为稳定的元素铁为止，这一阶段的恒星经历多次的膨胀收缩，光度也周期性变化，因此这一阶段的恒星极不稳定。
恒星的归宿
当恒星内部的核燃料耗尽之后，原来由热核反应维持的辐射压力消失，星体将在引力作用下再次收缩，于是进入老年期。对于初始质量小于太阳８倍的恒星，最终将变成白矮星。白矮星是一种密度极大，体积很小温度很高的晚年期恒星；质量为太阳８～5０倍的恒星在其核燃料耗尽之后会发生猛烈的爆发在短短几天中亮度陡增千万倍甚至上亿倍，称为超新生。爆发后留下的星核的体积只有同质量年轻星的百万分之一，几乎全由中子紧紧堆成，称为中子星。我国宋史记载宋仁宗至和元年（1054年）出现的“客星”就是这样一次超新星爆发。９００多年后，英国天文学家在那个位置发现的脉冲星（由于快速旋转而发出脉冲式电波的中子星），就是那次爆发的遗迹；质量更大的恒星在晚年爆发后变成密度极大，大到足以将光线都吸进去，变成看不见但又确实存在的天体——称为黑洞。人们只能通过对它周围物质的影响间接地探知其存在。一些发射出Ｘ射线的双星系统中，那个质量很大而又看不见的成员，其实就是黑洞。
形形色色的星系
星系是由数十亿至数千亿颗恒星和气体尘埃等星际物质构成，占据几千光年至几十万光年的空间的庞大天体系统，是构成宇宙的基本成员。包括太阳系在内的由几千亿颗恒星组成的银河系就是一个普通的星系。银河系以外的星系称为河外星系。恒星之间的引力吸引将星系保持为一整体。
星系具有形形色色的外貌，但基本上可分为旋涡星系和椭圆星系两大类，还有一些形状不规则的称为不规则星系。银河系就是属于旋涡星系。旋涡星系的质量相差悬殊，有比银河系大100多亿倍达到十万亿（1013）倍太阳质量的巨旋涡星系。也有小到1千万（107）倍太阳质量的矮旋涡星系。旋涡星系是盘状的，中间有凸起的核球，像块体育运动的铁饼，旋涡星系的盘绕其中心旋转，由此而形成其具有几条旋臂的特征形状，旋臂由许多最年轻、最亮和最热的恒星“联缀”而成，气体云和尘埃集中在这里，因而也是恒星不断诞生的区域。
宇宙是开放的
从哈勃对星系所发出的光，谱线红移的观察：光波与声波一样，也有类似开普勒效应，即面向观察者运动的光源谱线（与静止光源相比）将向高频（光谱蓝端）移动，而背向观察者运动的光源谱线（与静光源相比）将向低频（光谱红端）移动。得出的哈勃定律，星系光谱红移量与星系之间的距离成正比，证实宇宙是开放的、膨胀的。也就是说，所有星系都在远离我们而去，其退行速度正比同我们的距离。哈勃定律对任何星系来说都是成立的，所以说宇宙中所有星系都在彼此远离，即宇宙处于普遍的膨胀之中。
哈勃的这一发现为弗里德曼宇宙模型提供了直接的观察依据，动摇了宇宙整体静止的传统观念，为进一步研究宇宙的起源和演化奠定了基础。
现代宇宙学包涵爱因斯坦关于空间、时间（时空）皆与物质和质量四维空间密不可分的概念，宇宙作为一个演化着的整体被确认。在现代自然科学的发展中具有非常重要的意义，现代宇宙学对大宇宙的认识，是人类对自然界无限性认识的一个里程碑。
第五章 太阳系及其家族
太阳系天体运动的一般规律
我们的太阳在宇宙中是处在银河系4条旋涡结构中的第3条旋臂（由内向外）上的一颗光谱型为G2v的恒星。以太阳为中心，其周围由九大行星及其卫星、小行星、慧星、陨星及行星际物质、星云、宇宙尘等构成的天体系统称为太阳系。
根据目前对太阳系所掌握的知识，可总结出如下特征：
行星运动的同向性、同面性和近圆性
行星绕太阳公转的方向大都是自西向东（个别例外）这称为同向性；行星公转轨道几乎都在同一个平面上，若取九大行星轨道平面的平均值称为“不变平面”，九个大行星除最内的水星和最外的冥王星其公转轨道面与不变平面交角分别是6°17′和15°33′之外，其余七大行星的倾角都小于2°2′，其中木星的轨道面与不变平面相合得最好，这称为共面性；大行星公转轨道都接近正圆形的椭圆，只有水星和冥王星轨道偏心率较大,分别为和，其余行星的轨道偏心率都小于，这可称为近圆性。大行星的三个运动特征表现得最为突出，质量越大的行星又更为明显。
太阳系行星卫星运动的共性与个性
在太阳系已发现的127颗天然卫星其中66颗较大质量的卫星约有1/3个在绕本行星的轨道运动也有同向性、共面性和近圆性三个特征。但我们的月球是属于不规则卫星，其偏心率均大于其它八大行星半径超过1000km的卫星（木卫一、木卫二、木卫三、木卫四、土卫六、海卫一其偏心率分别是、、、、、）；此外月球轨道倾角（绕本行星公转轨道与卫星赤道交角）也大于其它行星的卫星，其倾角°（木卫一、木卫二、木卫三、木卫四、土卫六的轨道倾角分别是、、、、）；如果将地球的质量定为1，则其它八大行星的质量：水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星，若将月球的质量也定为1，则其它八大行星半径超过1000 km的卫星的质量：木卫一、木卫二、木卫三、木卫四、土卫六、海卫一，则卫星与本行星的相对质量比分别是：月球1、木卫一、木卫二、木卫三、木卫四、土卫六、海卫一，可知月球与地球的相对质量比显得特别大。从这个角度看，在太阳系中地球、月球在某种意义上可视为“双星”；月球公转周期（绕本行星运行轨道周期）却特别慢，若轨道周期以天（24h）计，则月球、木卫一、木卫二、木卫三、木卫四、土卫六、海卫一。
太阳系各天体质量或个体大小的不平衡性
太阳系的质量重心%集中在中心天体——太阳上，众多的行星、小行星、流星、卫星和慧星只占不到太阳系总质量的%，九大行星在质量和大小方面分布也极不平衡。行星的质量和大小亦可用其体积与密度综合量度，现代天文学的观测已测得九大行星及其卫星的平均密度和体积。九大行星各自的平均密度（g/cm3）分别是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星、太阳；如果将地球的体积（实际体积为×1012km3）定为1，则其它八大行星的相对体积为：水星、金星、火星、木星1321、土星750、天王星、海王星、冥王星、太阳×106。太阳的体积是地球的1303600倍！
木星的质量等于其它八大行星质量的总和的倍，木、土二星的质量是其它七个行星质量和的12倍；木、土、天、海四星虽然体积大、质量大、但密度却很小，在～
太阳系类地行星与类木行星化学组成的差异性
类地行星最明显的是由地幔和板块、岩石等组成的地壳，含有元素周期表中大部分金属与非金属元素，因而密度都较大，除水星外，金、地、火三星在早期地质过程中都储有大量的水，但目前金、火二星表面已完全干涸，液态水已完全消失！唯有地球至今仍保持大量的水；类木行星最明显的是没有固体表面地壳，组成元素主要是氢、氦、甲烷等，由于表面气温在-150℃～-240℃，而大气压力又很大，所以据推测其表面是氢、氦的海洋或气一液流体表面。
太阳系各天体角动量分布不均衡性
太阳的角动量占不到太阳系总角动量的%，行星占去%，卫星和小行星所占微乎几微，这表明角动量不集中在中心天体太阳上，而是按动量守恒分配于各行星；但对于行星和卫星系统则恰好相反，卫星绕行星转动的角动量只为行星自转角动量的百分之零点几到百分之十，火卫系统仅为32万分之一；但对于地月系的情况又相反，月球绕地球公转的角动量比地球自转的角动量大5个数量级（即万倍），这都是由于月—地相对质量比特别大造成的，由此再次看出月—地系统在太阳系中的特异性。
行星自转黄赤交角的多样性
九大行星中，七个行星的自转是顺向的，即自西向东，金星逆向自转（金星上看太阳是西升东落）。天王星躺着自转，自转轴差不多位于公转轨道面之内（即黄赤交角°），这是两个特殊情况。一般说行星质量越大，自转速度越快，木星、土星、天王星的自转只有10h左右、海王星16h、地球、火星约24 h、水星、金星243d；在自转情况已知的卫星中，月球、火卫一、火卫二、木卫一至木卫四、海卫二都是顺向自转，且自转周期等于绕行星公转周期，即永远以同一面对着本行星运动；行星绕日公转轨道面与赤道面的倾角即黄赤交角，是行星运动的重要参数：（度）水星0、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星≥60。正是由于这一倾角的存在，太阳才总不是停留在赤道上的天顶，它时而偏向北半球，时而偏向南半球使行星接受的阳光趋于均匀。
在地球上生存的人看太阳在天球上的周年视运动，其轨迹也是天球上的一个大圆称为黄道，它同天赤道相交成23°30′的角度，跟天赤道有2个交点，东边的交点是春分点，西边的交点是秋分点，离赤道最远的点也有2个，在赤道北的为夏至点，在赤道南的为冬至点；地球的黄赤交角（23°30′）造成地球上的四季交替和昼夜长短变化，这对于物种起源，生命的进化是十分宝贵的条件。
月球视运动复杂中的规律性
月球绕地球公转，它的公转轨道平面既不同赤道面，也不同于黄道面，但相对而言比较接近于黄道面，这一平面同黄道面的交角约为5°9′（在4°57′至5°19′之间）。这一平面同天球的交线也是天球上的一个大圆称为白道（在地球上看月球视运动在天球上的轨迹）。所以月球时常出没于黄道南北，同黄道的交点称为黄白交点，一个是升交点，一个是降交点，前者是月球从黄道之南进入黄道北的交点，后者正相反。由于月球轨道受到太阳引力的摄动较大，交点在黄道上时时变动，每年约从东向西移动20°，经18年7个月移动一周，因而月球的视运动表现得尤为复杂。月球视运动的复杂性，一方面避免每月产生日、月食，又使日、月食变化的多样性；另一方面又使由此产生的阴阳历的历法变得既神秘又规律，阴阳历变化周期的19年重现性就是由此规律产生的。在地球上某一地区罕见的日全食、日环食300年周期重现性也是由此月地复杂关系所致。
太阳系家族成员兴盛中的复杂性
太阳系除了九大行星、127颗天然卫星（至2003年）、已编号的6160多颗小行星（估计共有50万颗）和已算出轨道的600多个彗星（估计有1000亿个）之外，还有难于计数的流星和行星际物质如星云和宇宙尘等，家族成员的兴旺真可谓望空兴叹！但其运动规律如同向性、共面性、近圆性等就是越来越差了。这可用一个量来作概括，即质量。大行星、卫星、小行星、慧星、流星这系列天体运动的规律性随其平均质量的递减而递降。可以想象比慧星质量更小的流星其轨道之多样性与复杂程度就更大了，这一现象之所以出现，与太阳系的形成和演化有着密切关系，这对于地球的演化和生命的出现与进化也是息息相关的。
行星的质量和与太阳的距离以及小行星、慧星对行星演化的相关性
九大行星的地质演化是多样性的，因为即使是具有同一化学组成的行星，其地质演化也有很大的差别。造成差别的原因主要有二个，即：一、行星的质量；二、行星与太阳的距离。行星表面的物理状况，诸如气温、气压、大气组成、有无液态水及其循环、甚至行星的内部结构及其演化史等主要也受这两个因素控制。卫星的情况要复杂得多。它们有的是原生的，有的是行星俘获小行星而形成的，不同卫星地质差异很大，造成这些差异的原因除了以上两个因素外，与本行星的关系至为重要。卫星的质量与行星的距离对行星的演化也起着非常关键的作用。
行星与太阳的距离有一个有趣的数学规律，它是由德国的一位数学教师提丢斯（）在1766年发现的。他给出了一个数列，后一数是前一数的2倍，即：0、3、6、12、24、48、96、192……，在每个数上加4，再除以10便得到一个新数列，其对应的数就是行星与太阳的相对距离（称为提丢斯定则）：
新数列
行星与太阳的相对
距 离
水星
金星
地球
火星
小行星
木星
土星
天王星
现代天文学测得行星距太阳天文单位
提丢斯所处的年代（1729～1796），当时只知道有6大行星，天王星以外的三个行星还未发现。1781年传来了赫歇耳（，1738～1822）发现了天王星的消息，据天文学家推算距太阳为天文单位（将地球与太阳的距离定为1天文单位AU=×1011m），与提丢斯定则预言的非常相近，另外，数列中的第5个数（）其对应的位置当时也未发现有相应的行星，由于提丢斯预言数列第8个数（）位置上发现了天王星，这更加使一些天文学家坚信在天文单位处应该有一个行星。因此人们开始在相应于n=4，即轨道半长径天文单位处寻找另一颗行星，并成立“天体巡警队”搜索这个未知行星。1801年元旦之夜从意大利传来了好消息，西西里天文台台长皮亚齐（，1746～1826）宣布发现了这个行星，距太阳天文单位，正好符合提丢斯预言的位置，该行星命名为谷神星。但这颗星很小直径不超过1000km。“巡警队”认为这颗新发现的小星不能列入大行星，仍需继续搜索，1802年德国业余天文学家奥伯斯（，1758～1840）又发现了一个，命名为智神星，1804年德国的哈丁发现了婚神星，1807年奥伯斯又发现了灶神星。这三颗星与太阳距离都同谷神星差不多，而体积都比谷神星还小。到1995年底，已知轨道正式编号的小行星已达6160颗，如今超过20000大关，被称为小行星带。
随着行星与太阳距离的增大，远离太阳的天王星、海王星（离太阳AU=～天文单位）星区云盘厚度大，且以水物质和气物质分子为主，与彗星成分基本相同，当它们聚集成星子后，就成为彗星的趋型，由于这些星子数量巨大，在不断聚合过程中形成彗星，且以一定轨道绕日运动，并为行星吸积。这一作用可能导致地球原始大气的改变逐渐形成大气圈和水圈，至少提供了相当一部分原料，并为地球带来了有机物甚至DNA成分，为地球生命起源打下基础。
太阳系家族成员共处、灾变与相安性
在地球演化历史上，可能有过小行星与地球大量相撞的时期，这发生于地球演化的早期阶段，应与月球和水星环形山形成（在39～41亿年前）是同一时期。随着时间的推移，不规则轨道的小行星、彗星数量不断减少，相撞的次数和规模也逐步减少。质量大的小行星、彗星与地球相撞会给地球生命带来巨大灾变。一些近地小行星在大行星的摄动下，轨道会和地球轨道相交，从而有可能与地球相撞。在过去的几十亿年里，确实发生过，通过遥感技术，在地球上已发现了100多个陨石坑，其中91处推测是小行星撞击造成的，危险确实存在，所以研究、观察小行星的运动意义重大。从小行星轨道分布可知，轨道半径大于天文单位的称为远距小行星，危险性很小；轨道半径在～天文单位的是近地小行星，它可分为几组；轨道半长径～°天文单位，偏心率～，倾角°～°，小行星直径～，这类小行星称为阿莫尔小行星，现已发现有70多颗；近日距离（轨道半径）小于天文单位，而半长径大于1的天文单位，因有一段轨道与地球非常靠近甚至相交，这类小行星称阿波罗小行星，已发现有100多颗，引起天文学家特别关注；轨道半径小于1天文单位，近日距也小于1天文单位，远日距离略大于1单位，这类小行星称阿登小行星，目前已发现10颗，其危险性最大。
小行星撞击地球引起灾变危害性很大，但从地球漫长演化过程看，这种几率是微乎几微的。研究表明，直径10km的小行星平均1亿年左右的几率与地球相撞一次，地球每百万年有可能（注意只是可能）受到3次小行星的撞击，但其中只有1次发生在陆地上。尽管撞击的几率很小，但地球人却不能大意！1993年4月，世界各国60多位天文学家在意大利的埃里斯认真讨论了这个严肃的问题，呼吁人们保持警惕，会议还制定了一个全面的计划来防止这类从天而降的灾难。现代科学，已能采用先进的仪器监控小行星的运动，有时一个晚上观察就能新发现上百个小行星，所以在这次会议之后所发表的宣言却明白无误地告诉我们：“减缓近地小行星碰撞威胁的方案，目前还不需要予以考虑”。
太阳系彗星的数量比小行星就更大了，估计有1000亿颗！但是能够运行到地球附近天空的彗星是很少的。一方面是因为彗星形成是远在离太阳几万到几十万天文单位；另一方面是只有椭圆轨道运行的彗星才能回归到地球附近的天空，而且由于其偏心率和轨道大小与半长轴比值等因素，有的回归期周期长达几十至上百年；对于轨道是抛物线或双曲线运行的彗星，只能接近太阳一次便一去不复返了，称“非周期彗星”。
虽然小行星、彗星与地球相撞引起灾变的危险确实存在，但在有人类文明史以来的准确记录并不多，1908俄国西伯利亚地区发生的“通古斯大爆炸”烧毁一大片森林；1976年吉林陨石雨认为其母体是接近火星轨道的阿波罗小行星的一个碎块，但一般流星雨并不会造成灾变；彗星撞击地球造成灾变至今仍还未有记录，但彗星撞击太阳系行星近期却发生过，1993年3月苏梅克—列维发现了一颗奇特的彗星（SL-9），其慧核已分裂成20多块，仿佛像一列空中火车，对其跟踪观察认为是在1992年7月8日经过木星附近时，被木星强大的引力撕裂，形成22片核的碎块，当它于1994年7月6日以每秒60km的速度进入木星轨道。于7月16日与木星相撞，致使木星南半球伤痕累累，有7个受创面积直径超过10000 km。这是有史以来，人类发现被行星俘获，并与之相撞的第一颗彗星，这就不能不引起科学家的重视，地球是否也有发生类似碰撞的可能性。
小行星、彗星撞击地球虽然是一种灾变，但小行星有的是由金属矿组成，其中有的是铁镍矿、铜铬矿或其它稀有金属或贵金属。据认为地球上一些有价值的矿藏很多还是在早年大量小行星陨落地球造成的；彗星的慧核含丰富的冰块，星际云分子、水分子、氨基酸分子等有机物，据认为是给地球送来水和生命演化的基础物质，科学家确实从陨石中发现了多羟基化合物和氨基酸。到目前为止地球生命起源的有关“内源论”和“外源论”的两种理论研究正方兴未艾。
太阳系在银河系中的位置
银河系大约有1000～1400亿（有资料说2000亿）颗恒星。银河系是由恒星组成的旋涡结构，有4条旋臂，如果对旋臂所在平面的厚度方向照相，得到的画面称为银盘，全长约10万光年（1光年1y =×1012km=63240AU），银心厚3万光年，旋臂厚1万光年。太阳处在第3条旋臂距银心3万光年，距边缘2万光年的位置上。
通常认为，太阳
是银河系中一颗普通
恒星，其实就孕育繁
衍生命而言，太阳不
但不是普通恒星而是
一颗好太阳型的恒星。
生命诞生与繁衍要有个好太阳
太阳是G2v 型恒星
根据对恒星光谱的研究，哈佛大学天文台天文学家（皮克林）（1846～1919）提出，按恒星的光谱可分为O、B、A、F、G、K、M等8种类型，每个类型又分为10个序列。恒星的光谱与颜色，表面温度（K）有一定的相关性。研究表明太阳是属于G2v型，表面温度6000～5000K，光谱中发射较强的金属线，说明太阳所含金属元素较多，与同龄、同型的恒星相比，其重元素要高出50%，重元素（包括金属与非属）对于形成较高密度的地核、地幔、地壳的地球类行星是至关重要的。
表 恒星光谱类型与颜色和表面温度相关性
光谱型
颜 色
表面温度（K）
恒星代表
0
蓝
40000～25000
参宿一、参宿三
B
蓝白
25000～12000
参宿五、参宿七
A
白
11500～7700
织女星
F
黄白
7600～6100
南河三
G
黄
6000～5000
太阳、五车二
K
橙
4900～3700
大角星
M
红
3600～2600
心宿二、参宿四
表太阳系九大行星及月球的轨道和主要物理参数
天体
轨道半长 径 a (天文单位)
公转的恒星周期
自转的恒星周期
黄赤交角(°)
质量(地球质量=1)
体积(地球体积=1)
半径(地球半径=1)
平均密度(克/厘米3)
表面重力加速度(米/秒2)
已证实的卫星数
水星
88日
日
2
0
金星
225日
243日
0
地球
365日
23时56分
1
火星
年
24时37分
2
木星
年
9时56分
1321
60
土星
年
10时42分
750
31
天王星
84年
23时56分
21
海王星
165年
17时48分
11
冥王星
248年
日
1
月球
万公里
绕地球轨道周 期日
朔望月周期日
公转倾角,与地球赤道交角
0
注：地球质量＝×1027克；月球质量＝×1025克
地球半径＝公里； 月球半径＝1738公里
天文单位＝×108公里（≈亿公里）
地球重力加速度＝米/秒2
表太阳系九大行星中半径大于1000公里的卫星主要物理参数
行星
卫星
发现年份
轨道半径(103公里)
轨道周期(日)
偏心率
轨道倾角(°)
半径(公里)
视星等
质量(月球质量=1)
平均密度(克/厘米3)
环境状况
地球
月球Moon
1738
无大气,有水冰,遍布环形山,有丰富矿藏,贮100万吨He3
木星
木卫一
Lo
1610
1815
有活火山活动,表面有200多个直径大于20公里的火山口
木星
木卫二
Europa
1610
1569
有水冰,内部较致密,表面较纯的水冰
木星
木卫三
Ganymede
1610
1070
2631
无大气,有水冰,表面反照率高,总质量中水冰占50%表面像月球地貌
木星
木卫四
Callisto
1610
1883
2400
无大气,有水冰,遍布陨石坑,表面像月球古老地貌
土星
土卫六
Titan
1655
2575
有含N2浓厚大气,有水冰,相当于地球早期大气成份
海王星
海卫一
Triton
1846
157
1350
有喷泉,有水和冰,有一个直径250公里的冰湖,表面奇异的景观
注：月球质量＝×1025克
太阳系已发现127颗天然卫星
表太阳系的主要天体的大小质量和运行参数
平均轨道速度(km/s)
轨道偏
心率
逃逸速度(km/s)
赤道半径(km)
质量(kg)
相对质量
太阳
250
696000
×1030
＝
332946
水星
2439
×1023
×10－7
金星
6052
×1024
×10－6
地球
6378
×1024
×10－6
＝
火星
3397
×1023
×10－7
木星
71398
×1027
×10－4
土星
60000
×1026
×10－4
天王星
25560
×1025
×10－5
海王星
24760
×1026
×10－5
冥王星
1142
×1022
×10－9
* 太阳绕银河系中心以250 km/s速度旋转，同时又相对于周围恒星以 km/s的速度朝着织女星的方向运动。
太阳是单星，较大质量、宁静、稳定光度的恒星
与银河系大多数恒星成双、成对、三重、多重聚星不同，太阳是具有较重质量的单星，其质量与其周围众多恒星相比是最大的，如此大质量的恒星占这些恒星的10%。只有质量足够大的恒星才能保持长时间稳定的光度。但质量太大的恒星其表面温度太高，紫外辐射太强，太阳风过猛，而且大质量恒星的寿命短。据地面观测，地球轨道附近太阳能量流的变化不大于%，而其它类似太阳型的恒星其亮度变化均大于1～2%；太阳在同类黄矮星中自转速度很慢，是极其宁静的恒星，因自转速度越快，恒星活动性越强，易引起爆发。对类似太阳年龄（50×108年）的同龄恒星，其表面自转速度一般为5km/S，而太阳的自转速度只有2km/S，自转周期在日面赤道带约25天，在两极区约为35天。
太阳绕银心运行轨道稳定，避免灾星爆发灾变
银河系存在着“爆发变星”，即恒星的亮度在很短时间（1～2天）内突然增大很多倍，然后又慢慢暗下去，这种不稳定的恒星称为“爆发变星”，包括激变变星和灾变变量两类，其中以灾变变星影响最大。灾变变星是指“灾难性”爆发的超新星（SN），它是最激烈的天文现象之一，一颗超新生能发出比一个由数十亿颗恒星组成的整个星系还亮的强光，爆发结果将恒星物质大量抛射形成强射电源、r射线和宇宙射线源，对携带生命的行星造成灾变性的影响，已发现超新生数已超过200个，其中银河系有8个。
太阳绕银心运行轨道较之同龄、同型恒星明显近于圆形，与银道面的倾角小，而且接近银河系的共转圈，避免太阳突然地跨越银道面和过多地进出银河系的旋臂，从而减少了太阳系遭遇超新星的概率，因为椭圆轨道使恒星进入银心部分，而银心和旋臂中超新生密度大。
对好太阳型恒星的多因素及特殊要求
所谓“好太阳”型的恒星是指可以在足够长的时间内非常稳定地对其行星提供适量的能量，使得生命和智慧生物得以在行星上演化的恒星。地球上的生命，从氨基酸演变到智慧生物经历了几十亿年，这就要求中心恒星在这前后的几十亿年里长期、稳定给地球提供能量。对于那些质量很大，光度很强、演化很快的O、B、A型恒星，光度稳定时间都很短，只有光谱型从F2型向下至K型（太阳是G2v），即质量小于太阳质量的恒星，才有50～100亿年的稳定期，（据天文推测，太阳已诞生50亿年，其光度仍将稳定50亿年），但并不是小质量恒星都能入选，小质量恒星虽然稳定期较长，但小质量恒星的光度和引力又不够足以形成行星系；即使恒星有行星系，又必须最少有1颗行星分布在行星系的“生命圈”内。所谓生命圈是指行星距恒星最适于生命出现、演化、繁衍、进化与发展的距离。即在生命圈内的行星应是距恒星不远、不近，获得的光能量不大、不小，刚好适合生命的诞生和演化，而要从质量较小、光度较低的恒星得到适宜的能量供应，生命圈就比较靠近中心恒星，这一因素就是好太阳的关键因素，即恒星的质量和光度。太靠近恒星的行星，其公转速度太快，因受恒星“潮汐”作用而使自转速度与公转速度相等，因而该行星始终以一面对着恒星（例如水星）自转，这类行星不可能孕育生命。
综上所述好太阳型的恒星首先是必须带有行星系，并且至少有一个行星是在生命圈内；恒星的质量、光度、公转、自转速度、运行轨道、光谱类型、组成元素与密度、热核反应类型与爆发程度、太阳风与紫外辐射、电磁辐射、高能粒子辐射（α、β、γ、χ射线）、电磁场强度等这些特殊因子都要适于生命的诞生和繁衍、演化与发展；好太阳型恒星的行星系行星质量大小及其分布对生命的诞生和演化也有重要影响，处在生命圈外的大行星对生命圈内的行星起护卫作用，而彗星、小行星又为行星提供矿物资源和水分等孕育生命的基础物质或原料。
银河系大约有1400～2000亿颗恒星。好太阳恒星的几率有多大？在天文界正在争论，但就目前的科学水平和所有天文观测史料，除了我们的太阳之外，至今仍未发现或证实有第二个好太阳型的恒星！
第六章 神奇的地球及其生态保护所受的挑战
一个好太阳型的恒星形成的行星系，即使其生命圈内存在有行星，但生命出现的可能性有多大？即使这个行星有条件孕育生命，但其进化的历程是否能出现智慧文明社会，即繁衍高智慧生物？
地球——好太阳的骄子
迄今为止在太阳系九大行星及其已发现127颗天然卫星（地球卫星1颗、火卫2颗、木卫60颗、土卫31颗、天卫21颗、海卫11颗、冥卫1颗）、6160颗小行星和1000多颗慧星等天体中（除地球外），探测结果表明高智慧生物肯定没有，但土卫六、木卫一至木卫四及一些小行星和彗星是否有微生物或早期生命物质存在还有待于进一步证实。
科学家们通过计算，认为我们的太阳系有2个行星处于生命圈之内——即地球和火星，但只有地球繁衍了生命。火星是与地球有很多相似之处的姊妹星，绕日运行1周日（地球1回归年=日）、自转1周24h37′（地球1天=23 h56′），火星上也有四季变化，即黄赤交角也与地球相似（地球黄赤交角°、火星°），火星赤道附近白天气温最高可达29℃，夜晚则降至—50℃以下，冬季下降到—140℃以下。火星因其质量还不到地球的1/9（火星质量是地球的，地球质量M=×1027g），表面还原性大气不能阻挡太阳强烈的辐射，原有的液态水蒸发成蒸汽受紫外作用分解为H2和O2，由于火星引力小（火星的赤道引力只有地球的，表面逃逸速度只有 pa）。1977、1997年，美国两次发射飞船，分别在火星的四个降落点采火星土壤试验寻找火星生命，结果令人非常失望，至少在火星着陆的四个点是连微生物都没有的死寂的世界。2003年8月27日火星大冲，距离地球只有，即55756622km，也是自5万7千多年以来火星最接近地球的时刻，或者说自5万7千多年以来火星从未有过这样接近地球！因此，在2003年8月27日前后的夜晚，我们可以看到在黄道上那颗红橙的非常明亮的火星。如果有一台天文望远镜，你会发现火星表面是黄沙滚滚、尘暴满天毫无生机的荒凉世界；可惜当本书出版读者看到本书时，火星已远去，虽然每2年多火星会接近地球1次，但若要火星再现2003年8月27日大冲临近地球的景象，请你再等284年！
地球的质量、引力、逃逸速度都比火星大得多，即使早期的太阳辐射水被分解成H2和O2，而氧分子量是32，地球引力足以将其吸引住使其在大气中保存下来，这就导致了地球的大气环流产生与火星不同的机制，地球上的风、霜、雨、雪和雷电导致了水在地球上的循环，并逐渐形成海洋。现代科学公认，生命起源于海洋，虽然高达1023HZ的太阳辐射足以毁灭一切生命，但由于有深达数千米深的海洋足以保护开始生命萌芽DNA遗传因子不被杀灭。
虽然火星与地球都处于太阳系的生命圈内，但火星与地球的命运是如此不同。这就更显现出地球的神奇和生命的摇蓝的可贵了！
了解太阳系的十大特征及好太阳型太阳的典型性和太阳之骄子——地球在太阳系中的独特性，加深认识人类只有一个地球的环境意识，以实际行动来保护属于人类的仅有一个地球，是地球人神圣的使命。
地球的生态环境是经历几十亿年演化才诞生生命
地球形成到现在已经历了46亿年，早期大气含有氢的化合物氨、甲烷、硫化氢、氰化氢和水蒸气，还有还原性等物质。地球形成初期温度很高，地壳中的CO2也部分释放，太阳的强烈辐射促使这些化合物进行化学反应生成有机物分子；炽热星云形成的地球在冷却过程中，水汽逐渐凝结为液态水，从遥远星际运行的慧星也给地球（或其它行星）送来大量的水形成海洋，太阳的作用产生了海洋大气环流、风、霜、雨、雪促使水的循环，有机物分子溶于水中，这个过程大约经历6～7亿年。大概到了39亿年，海洋中最原始的古细菌（Archaebacteria）和原始藻类（Algae）开始出现，藻类虽然是属于低等微生物，繁殖方式也极低等，但藻类含有叶绿素，能进行光合作用，这种光合作用的特点是以水作为氢供体，代谢过程中释放出氧气：
CO2+2H2O [CH20]+H2O+O2
所以藻类的代谢不但产生氧气，而且合成新的原生质，[CH20]醛基是通过藻类将CO2、H2O转化生成有机物，这就为生命的起源和演化奠定了基础。据估计在35～40亿年前，在海洋中藻类的数目非常丰富，这个过程使地球原始还原性大气转变成富氧性大气，为生命的演化创造了生机。此后的生命逐步登上海岸，陆地上数百万种的绿色植物在地表繁衍。
大约在距今16亿年前，一个富含氧的大气圈才逐渐形成。性质极其活泼的氧将原来还原性的大气逐渐改造成氧化性的大气，因而大气成分也逐渐演变，碳和氮的循环经过漫长岁月才形成当今的大气组成：%、%、氩及其它稀有气体%、%（水蒸汽和尘埃不计入）。藻类和绿色植物在地表的繁衍从而促成了氧参与生物代谢的循环，而只有富氧的大气中氧分子扩散到25～40Km的高空受太阳紫外辐射形成臭氧分子的积累逐渐形成了保护地球生命的臭氧层，这就为更高等的海洋生物和陆地生命的演化创造了条件。
神奇地球的生态与生命相依相存
地球是太阳系的第3颗行星，正好在生命圈之内，距太阳不远不近，质量和体积不大不小，如果将地球的平均半径（R=）定为1，则九大行星的半径依次是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。如果按实际体积火星只有地球的1/7，而木星却是地球的1321倍，土星是地球的750倍；按质量火星只有地球的1/9，木星是地球的318倍，土星是地球的95倍（若将地球的质量定为1，则九大行星的质量依次是：、、、、、、、、）。所以火星只有十分稀薄的大气，而木星的大气压力却大得惊人，足有100多个大气压，所有气体都被吸住；地球表面1个大气压（）的大气组分都十分适合生物的繁衍，氧的浓度也不大不小，与氮的比例也十分适合生态循环，一定数量（正常的大气中，CO2含量为%最为合适）的CO2为一切绿色植物提供碳源参与自然界碳和氧的循环，保持着大气中富氧的特点，而且调节气温适合生物的繁衍生息。
地球生命宝库的海洋面积×108km2是地球表面积的%，所以地球更确切应称为水球（地球陆地面积为×108Km2，占地球表面积的%）；地球表面浓厚的大气层调节气温又对生物起保护作用，高空臭氧层能吸收95%的太阳强紫外辐射；位于地面600～1000km的外层空间，由于地球磁场与太阳风（高能粒子流和宇宙射线）的相互作用形成地球磁层，其磁层顶是圆形的，形成的磁腔足有（5～7）×104km，这个磁层能挡住太阳风及宇宙射线的强烈辐射，并使之沿磁腔圆顶偏离，正是由于地球磁场的反抗才使太阳风绕过地球磁层，免遭强烈的太阳风的高能粒子对地球生物的杀灭。
地球上的四季交替，春柳丝长、秋穗稻香、绿翠鸟鸣、隆冬盛夏的景色，造成生命多样性；高原冰山、平原湿地、河流纵横、湖池交错造就生物乐园。地球是生命的温床，然而地球生物环境的特性又是与生物活动和生命现象息息相关的。
地球表层物质和能量的循环和转换是靠生命活动来实现的，如果没有生命活动吸收和储存能量，则来自太阳辐射的能量将会散失，这可用热力学定律得到解释或找到能量守恒的答案。生命活动在太阳能的捕获与储存和地球表层物质的迁移转化方面的巨大作用，远远超出人们的想像。据科学家统计和估算，地球上的生物利用大气中的水和二氧化碳，通过光合作用和生物代谢将太阳能转换储存使得生命繁衍，在地球地质史上累计产生的生物物质总量超过地球质量的1000倍以上（地球质量×1027g）；水圈中全部水14×108km3，每2800年通过生物代谢循环一次；大气圈中的氧每1000年全部通过生物代谢过程循环一次；如果没有绿色植物和藻类吸收大气中人类生产生活排放出的CO2，则今天大气中CO2的浓度将增加1000倍达到占大气总量的30%以上，很难想像在这样高浓度（正常情况CO2浓度只能占大气组分的%）的CO2，其所产生的温室效应，地球早已不适合人类和其它一切生物的生存了！离我们最近的金星就是如此，金星离太阳天文单位（地球）、其半径6037 Km （地球 Km ），密度与地球也非常接近，为
地球上大约有5000万种生物组成了生机勃勃包括高智慧生物——人类在内的生命大千世界。从地球的演化与生命的起源与进化的相关性中确实证明生物的能动作用。可以说地球今天的面貌是生物创造的。但时至今日地球人并不都认识到神奇的地球应当倍加珍惜，倍加爱护，近30年来的经济高速发展，生产生活向自然索取的资源量超过地球所能承受和再生的量，造成森林锐减、草原退化、水土流失、土地沙漠化；而人类生产生活又向大自然排放远远超过地球自净能力的污染物，造成环境恶化、生态破坏，出现了环境危机又造成对人类生存和发展的威胁。
人类的家园，当前面临十大生态环境危机
自上世纪50年代以来，尤其最近30年，人类向自然攫取资源，排放污物和废物，使地球的大气圈、水圈、生物圈发生了质和量的变化，全球生态环境面临十大危机。
全球气候变暖、旱涝灾害频度加快
大气中CO2的含量迅速增加，正常含量在300×10-6（ppm）（%）左右，上世纪80年代上升到340×10-6，目前已达到450×10-6（%）。由于燃煤和石化燃料的迅速增加，从而每年要向大气中释放2000亿吨的CO2，与此同时由于全球能吸收CO2的森林却日益减少，CO2的积累气温升高又导致干旱更加严重。估计2030年北半球中纬度地区因干旱森林面积将再减少11%。进入21世纪的头三年，人们已经感受到热浪已袭击全球，并且比人们所预料的要快得多，2003年夏欧洲、亚洲、美洲都出现历史上罕见的高温，常年的欧洲夏天，气温一般在22～32℃，平均26～27℃，而2003年却高达32～41℃，38～40℃连续多天居高不下。在印度、巴黎等国家或地区有热死数千人的报道。温室效应拉响了全球气候变暖的警报！由于气温升高，全球性旱、涝灾害频繁，多少个“百年不遇”的水、旱、风、沙、泥石流等灾害接连不断。
森林遭受残酷的砍伐和破坏
早年的地球陆地有2/3被森林覆盖，超过76亿ha，由于人类对它的砍伐和破坏，以及酸雨和大气污染致使森林面积大为减少，全世界每年因各种原因毁林亿ha ，每年有×105km2的热带雨林被毁，全球每分钟有20ha森林在地球上消失。构成热带雨林的树种非常多，东南亚和亚马逊河流域的热带雨林物种多样性最丰富。生物种数至少一半以上生息在热带雨林中，所以热带雨林被称为地球上最大的基因库，热带雨林的毁坏是直接破坏地球的生态平衡。森林大火也是森林受损的另一重要原因，每年都要发生森林大火不计其数，其中2001年印尼森林大火，2002年蒙古及中国兴安岭森林大火，2003年的加拿大、美国、澳大利亚森林大火都是连续数月大火不熄，烧毁森林上亿公顷，对地球生态的破坏无法估计。
土地沙漠化日益严重
森林、绿色植被和湿地的破坏是土地沙漠化、荒漠化最直接的原因，据联合国环境计划署统计，地球上每年有600万ha土地变为沙漠，也就是说地球上每分钟有土地变为沙漠，每年有2000ha农田被沙漠吞噬。全世界有90多个国家受沙漠化危害，全球有亿人受沙漠化威胁，被称为环境难民。
沙漠化给人类带来的损失每年达260亿美元，全世界有20%以上土地约3000万 km2，相当于3个加拿大面积，正处在沙漠化直接威胁之中。西亚（海湾国家）干旱面积亿ha，沙漠占82%；南美洲干旱地亿ha，沙漠占71%；非洲撒哈拉大沙漠每年以6km速度向南扩展，近50年扩展了6500万ha，平均每年丧失150万ha可耕地。越来越多的证据证明沙漠化的推进应归于人类不合理的经济开发。
野生生物物种大量灭绝
自然界的生物共包括六界：病毒界、原核生物界、真核原生生物界、真菌界、动物界和植物界有5000多万种。动、植物界有300多万种，目前已经过鉴定的生物有170多万种，其中哺乳动物4200种、鸟类8700种、爬行动物5100种、鱼类2100种、维管植物25万种，目前濒临灭绝的有370种。科学家预测地球上平均每天有1种物种消失（1988年7月5日《中国环境报》）。造成物种灭绝的主要原因：
生态环境破坏，气候异常，大气、水体、土壤污染、酸雨危害；
滥捕滥杀是使食物链破坏、物种灭绝的重要原因；
热带雨林遭破坏，珍稀物种遭殃。
工业化、城市化扩展，大片森林、山地、农田被毁，生物丧失栖息地；
粗放耕作、过度放牧、过度垦荒；
大量使用农药、化肥，害虫未杀灭，天敌先被杀死；
杂交育种不当，随意引进物种破坏原来生态，引起基因突变等；
人口过快增长，经济与环境不协调发展。
植被破坏、水土流失严重
全世界每年水土流失254亿t每分钟有4700t泥沙入海。由于水土流失、土壤难以再生，全球表土正以每年%的速度减少。
水源污染，饮用水资源越来越少
每年全世界最少有4500亿t废水流入水体，每分钟有万t废水流入江、河、湖、海。全球每年约有万人死于水污染疾病。平均每分钟死于水污染引起疾病的有28人。
大气污浊，酸雨危害日趋发展
随着工业化的进程，尤其化学工业、建材、冶金、矿山、造纸、食品、纺织、化纤、制药、农药、炸药、炼油、爆破、天然气等重污染企业的盲目发展，污染治理的措施又不配套，工艺技术落后致使空气污染正在加剧。由联合国环境规划署监测的54个国际大都市有一半以上空气质量超标。两次海湾战争，有上千口油井大火数月不息，油井燃烧产生的氧硫化物、氮氧化物、碳氧化物等腐蚀性烟云数月覆盖空中，油井大火释放1 亿m3的黑烟已使巴勒斯坦、土耳其等地降了黑雨；有上千桶原油氵曳 入海中，有的造成海上大火。
酸雨每年使森林、农作物损失数十亿美元，其中美国、加拿大8～10亿美元、发达国家6～8亿美元、发展中国家10～12亿美元。
大气污染及酸雨对人类健康的影响未有直接统计，但大气污染及酸雨危害是地球生态破坏最严重的环境问题，潜在性的灾难性后果难予预料！
高空臭氧层空洞正在扩大
近30年来，随着经济的高速发展，高层大气中臭氧的浓度一直在下降。英国科学家J·Farman首先发现南极臭氧空洞，虽然这已是众人皆知的了，但对于它发生机制所引起的后果就不那么被人重视了。臭氧的形成及其对地球生物的保护是基于与紫外线的相互作用。在离地面约25～40 Km高空，稀薄空气中的氧受太阳紫外线（波长185nm）辐射后形成臭氧，但要经历很多年才能形成臭氧层，因为形成的臭氧它又与紫外线相作用而损耗，在离地面30Km，臭氧的浓度最高达10×10-6（10ppm），但对绕地球的整个平流层其平均浓度只有×10-6。浓度这么低的薄层臭氧本是很脆弱的。但如果能均匀分布在平流层中，则可吸收95%波长280～300nm的紫外线，从而有效地保护地球上的万物生灵免遭紫外线的杀伤。自1985年公布南极上空臭氧损耗了一半并形成空洞之后不久，又在北极上空也发现臭氧空洞，人类生存面临的挑战引起广泛震动。
垃圾成灾，危险废弃物包围着人类
地球上的垃圾及危险废弃物每年以5亿吨的数量迅速增加，而处理率低。垃圾不能及时清运占领土地、农田、垃圾水再污染水源造成更大灾害的事故时有发生。尤其发展中国家有的城市垃圾围城对生态环境造成极大危害，甚至对人民的健康造成公害。发达国家以出口贸易不正当手段，每年将成万吨废弃物输往第三世界；有的国家至今仍遗留战争入侵者施放的毒气弹、细菌武器或毒品原材料，给他国人民造成痛苦和灾难。在第二次世界大战中，日本侵略军曾在中国东北多次施放毒气弹和细菌武器，时至2003年8月，在齐齐哈尔某工地，挖出5桶芥子气毒品原料，使多人受毒害，中毒者非常痛苦，有的甚至在极端痛苦中死亡。
另外，人类发展航天事业，在地球上空遗弃数以万计的火箭和失效卫星等也对人类构成威胁，当这些废弃物坠入大气层烧毁时也对大气造成污染。
人口急剧增长对生态环境造成巨大压力
人类在漫长的历史年代中增长一直缓慢，在经过1万年之后，到了公元1000年，世界人口才亿。此后增长逐年加速，至1999年10月12日，世界人口已突破60亿！已对生态环境造成巨大压力。
（1）人口增长对土地资源的压力
全世界可耕地亿ha，1975年世界人均耕地，但到2000年则降到人均。人口膨胀，加之不合理开发土地，使大量耕地被毁，生态平衡遭破坏，自然灾害频度加快，污染危害加重，土地沙漠化、荒漠化加速。
（2）人口增长加快对森林、草原绿色植被破坏
人类生存居住对森林、草原的依赖，尤其是世界贫困地区仍以木草充当能源，对森林砍伐和草原的破坏是严重的，其严重的后果已被逐年频繁的灾害所证实。
（3）人口增长对资源、能源的压力
能源的人均消耗是衡量一个国家或地区现代化程度的重要标志之一。据美国对84个发展中国家调查表明：能源的消费量不低于 t/a.人只能维持基本生活； t/a.人，说明仍处于相当贫困状态。中国只达到
（4）人口膨胀对城市生态环境的影响
城市是在摧毁原来自然生态的基础上建立起来的，因此能量流动和物资流动与代谢形式对外依赖性很大。尤其工业城市以及大城市，人口膨胀面临一系列环境问题。如大气污浊、水源污染、供水紧张、交通阻塞、噪声扰人、垃圾围城、居住拥挤……随着城市功能越来复杂，使城市生态环境系统变得脆弱。
（5）人口增长对社会安定、就业的压力
人口增长对社会安定和就业的压力是不言而喻的。劳力过剩、就业居住、生活、交通、教育、医疗、社会福利、保险成为当今社会最感困难的问题。
当前中国生态环境状况
中国面临的生态环境问题是十分严峻的，其发展趋势是令人不安和忧虑的。
气温升高、冰川退缩、江河源生态恶化
我国处于中纬度地区，最近十年来东南海洋连年副热带高压覆盖，热浪滚滚抑制日趋微弱的北方冷空气，使西北高原气候变暖、冰川退缩、冰源减少、冰雪融化，使沙漠化、荒漠化加速。再加上人口猛增，过度放牧、过度垦荒、砍伐森林、淘金洗劫、泥石流倾泻已造成江河源生态恶化而使灾害频度加快的事实引人关注。
贫草大国，草原退化
中国现有可利用草地 亿ha，人均只有，是世界水平的1/3。目前的状况是低投入、高索取掠夺式的经营，30多年来平均每亩草地投入仅1元多，据估算上世纪70年代草地退化率15%，80年代增加到30%，全国草场退化累计面积约亿ha，而且仍以每年133万ha的退化速度扩展。
水土流失严重
中国960万km2的土地，其中高原山地占2/3，各种生态脆弱带占%。由于毁林和草原退化，上世纪50年代末水土流失面积116万km2，而目前已增加到367km2万，增加3倍多！占国土面积的38%，每年丧失表土50亿吨，入海泥沙20亿吨；可耕地由解放初的人均 ha，降至目前的人均 ha。
沙漠化高速向南推进，沙尘暴困扰
全国沙漠面积已达到149万km2，占国土的%，受沙漠化威胁212个旗县，断续约为5500km，面积万Km2，并以每年1600km2的速度扩展，30年来丧失土地万km2，目前约有333万ha农田、493万ha草场、2000km长的铁路以及许多城镇、工矿、水库受沙漠化威胁。如果不采取有效措施阻止沙漠化，估计5年内又有万km2土地沦为不毛之地的沙漠，比两个台湾还大。
受沙漠化的影响，上世纪50年代以来沙尘暴呈加剧趋势，20世纪50年代共发生过5次、60年代8次、70年代13次、80年代14次、90年代21次、2000年一年内沙尘暴达13次，此后沙尘暴影响逐步扩大，北京、天津、江苏、安徽、南京、杭州均受其害。
水源污染，江河水质恶化
目前每年我国污水排放总量400～450亿吨。660多个大中城市生活污水排放总量占200～250亿吨，即占全国污水总量的一半以上，而处理率还不到20%，污染141条江河和地下水。有63%的城市饮用水资源受到不同程度的污染。被调查的533条河流中有82%，437条受污染，七大水系——长江、黄河、珠江、黑龙江、淮河、辽河、海河经流的主要大城市都受到较重污染。
严重缺水
全球各大州人均占有水资源最低的是亚洲，人均3300 m3，而我国人均只有2340m3，远低于亚洲的人均水平，排世界第88位，被联合国列为世界最贫水13个国家的前例！
中国水资源状况是开采过量，浪费惊人、工业污染和生活污水对水体污染严重，加剧了水资源危机。全国660多个城市有300多个城市缺水，为解决缺水最少需投入资金1200亿元。
自然灾害频度加快，受灾面积、受灾人口不断扩大
近30年来自然灾害的频度加快，危害及造成的损失越来越严重。上世纪50年代受灾面积和成灾面积分别为2226万ha和926万ha；到20世纪90年代分别上升到3971万ha和1943ha。1991年淮河遭遇百年不遇的特大洪水，然而2003年淮河再次遭遇的洪水恐怕是历史上罕见，或从未记录过，洪峰一个接一个，连续30多天，一峰高过一峰。为了让洪峰通过，下令搬出几个县的居民，真正是做到全面动员、全力以赴、全国支援，调动几十个师的兵力，百万军民护堤抢险，尽管如此估计损失300～400亿元；1998年长江特大洪水，又是百年不遇，据统计，险情5350处，受灾人口2亿，死亡1300多人，受灾农田数亿亩，倒塌房屋数亿间，直接经济损失2000多亿元。在抗洪抢险斗争中共投入200多万人力，调动部队66个师和武警部队30万兵力，国家调拨救灾物资30多亿元。
以上仅举两例，其实近几年来有多少个“百年不遇”的水、旱、风、沙的灾害新闻媒体已有报道，平均每年损失最少1000亿元。
大气质量恶化，酸雨发展
据统计全国烟尘排放总量约1000万t、生活烟尘排放量250万t、工业粉尘排放量1200t。废气排放量10年来增长了51%，SO2排放量2000年达到1995万t，6年内增长了%，排放总量排世界第3位。酸雨危害的农田达400多万ha，造成农业经济损失20亿元。
垃圾围城，垃圾污染日趋恶化
我国年产工业垃圾约5亿t，生活垃圾亿t、占地万ha，并以每年约10%的速度增长，每年有1000多万t垃圾不能及时清运，使万ha农田受污染，给全国几大水系带来危害。
全国工业废渣量十年内增加50%，而处理率和综合利用率分别只有%和%，历年废渣积存量超过66亿t；全国城市垃圾年产6000万t，比10年前增长1倍，而处理率不到5%，全国有2/3城市处在垃圾包围之中，垃圾的处置大都只能以填埋的方式，垃圾堆放、清运过程又给水源造成污染。
过快的人口增长给社会造成沉重的负担
建国50多年来，我国人口净增7亿，比美国、日本、俄国、西欧、加拿大、澳大利亚等几乎所有发达国家总人口还要多！相当于每天净增1个军，每小时净增1个团，每分钟净增1个排！人所构成的社会就是吃饭、消费、生产、教育、环保这五个方面处于错综复杂的矛盾之中。改革开放的20多年，强劲的经济增长和综合国力的不断增强，取得了举世瞩目的成就和人民生活水平的显著提高。然而粗放型的经济增长方式和相对落后的技术以及管理水平，使我们在取得上述成就时也付出了巨大的生态环境的代价，造成严重的环境污染和生态的破坏，尤其是人口的压力，是发展沉重的负担，因为人多要吃饭、要消费、要就业，必然要占据生产、教育、环保的资金，教育资金的减少最终影响发展。而环保资金的减少还造成资源的浪费和生态环境的恶化，最终也阻碍生产的发展，危及人的健康。环境的恶化导致防不胜防的各种灾害频频发生，这些始料不及的灾变是否能促使一些人猛醒！
低素质人口听忧患：建库网-免费建筑资料下载网站
据卫生部统计，我国遗传性疾病和患者为世界之最，已发现的各种遗传性疾病千余种，患者3000万人以上；新生儿出生缺陷占出生率的%；弱智儿童患病率%。全国现有1～4岁痴呆儿300多万，弱智儿800～1000万。我国人口质量低的另一方面是在全国几千万的“打工族”之中（当然是不包括大专以上求职人员），受过技工学校或中等专业学校技术训练合格上岗的人数还占不到2/5。
以上事实说明，日益膨胀着的人口压迫着日益减少的自然资源，而日益增多的低素质人口掠夺着、破坏着脆弱的生态环境，这两个制约因素成为我国全面实现小康的障碍，成为新世纪发展中亟待解决的问题。
地球的生态环境保护是地球人神圣的使命
从各方面传来的信息表明，人类居住的家园生态环境正趋恶化，而且继续恶化的势头已难于逆转！
环境与发展是当代人类生存的新主题，近一个世纪以来，尤其是上世纪50年代以来，由于人类只注重发展，不重视环境保护，导致了严重的环境污染和生态破坏，使人类生存危机四伏。
环境问题引发的国际关系变化
（1）资源利用收益分配对环境破坏后果承担责任的不平等
当今世界存在两大类环境问题。一类是在工业化进程中向环境排放大量废气、废水、废渣而带来的环境污染问题；另一类是由于不合理地过度利用自然资源而导致森林锐减、水土流失、土地沙漠化、荒漠化和物种灭绝等生态破坏问题。在发达国家、主要是第一类问题，而在发展中国家，两类环境问题兼而有之，更严重的是第二类环境问题，而第二类问题，在很大程度是与贫困有关。发达国家在早期工业化过程中通过殖民掠夺，残酷的战争和屠杀，掠走了他国资源，积累资金，达到今日的繁荣，直到今天发达国家作为世界资源的利用者不仅消耗了本国资源，还大量掠夺发展中国家的资源，并从中获得主要的利益。而在环境破坏所造成的后果承担上，发展中国家不仅要承受本国资源过度开采所造成的生态环境破坏的危害，而且要承受全球环境问题所带来的恶果。
（2）对全球生态环境恶化承担的义务和责任不平等
今天的全球性环境问题，主要是发达国家造成的，是他们自工业化以来长期向环境排放有害物质的结果，时至今日他们仍然是排放大户，据统计，人口仅占世界总人口10%的发达国家，其能源消耗和产生温室效应气体的排放量却占90%，而对臭氧层起最大破坏作用的氟里昂（CFCS）和溴化物（Halons）却占85%，因此他们对控制和解决全球环境问题应负主要责任，理当更多地承担起保护全球环境的义务，包括提供资金和转让技术，帮助发展中国家改善和保护环境。但发达国家不仅不愿意承担应负的责任，而且强调每个国家都有同样的责任，同时还采取一些不正当的手段向发展中国家转让在本国严格限制会产生污染的技术和趋淘汰的产品，转嫁污染，更有甚至者利用出口贸易将垃圾直接输进发展中国家。
地球的生态保护需要建立一个公平的世界
在全球生态环境保护重大问题上，发达国家和发展中国家充满激烈的矛盾和斗争。所以，一个政治和经济上公平的世界是解决全球环境问题的外部条件和基础保证。目前世界的发展模式是以对生物圈的损害为代价而维持的，这不可能是维续发展；另一方面在穷国与富国之间，资源的利用和利益的分配以及对环境破坏的责任的不平等恶性循环正在加剧。穷国为了生计，不得不以掠夺式的方式开采利用资源，而富国除消耗本国资源外，通过各种苛刻的贸易方式掠取穷国的资源，还迫使穷国廉价出卖资源和劳动力，所获取的财富，有一部分又必须以还债形式返回给富国，这更加削弱了穷国改善、保护环境的能力。因此，要实现全世界的生态环境保护，就必须消除国际政治和经济中存在的不平等，建立新的国际政治经济秩序。这就要求全人类提高保护地球生态环境的意识，敦促本国政府为了全人类的利益和持久发展达成共识，期待联合国能够在这方面起到积极作用。
全球生态保护最紧迫的问题
森林生态环境保护
全球气候变暖、旱涝灾害频繁、沙尘暴肆疟等都与全球森林破坏有关。所以森林生态保护是全球生态环境保护最为紧迫的问题。
（1）森林在全球生态环境中的作用
1)森林是地球生态环境要素
它对维护和保护人类赖以生存的地球起着稳定和优化环境、水土保持、改良气候、绿化大地、造肥沃土、涵养水源、养育生物、调节生态，为工农业和人民生活提供各种丰富的林产品、水果、药材等重要生态效能的作用。
2）森林是制造氧气的绿色工厂，是大自然的肺
1ha阔叶林每天吸收1000kg CO2，产生730 kg O2，净化空气18000万m3，可供100人呼吸之用。
3）森林是滤菌吸毒净化环境的肾脏
1ha松林每年阻留灰尘33t，榆树、悬铃木、泡桐、刺槐、雪松、罗汉松等都是吸尘的好树种；1ha柳林每月吸收SO260kg，椿树、垂柳、羊槐、加杨、丁香、夹竹桃、大叶黄杨等吸收SO2也有较好的作用；1ha桧柏一昼夜分泌出能杀死结核、伤寒、白喉、痢疾等灭菌素30g；泡桐、垂柳、羊槐、桧柏、梧桐、女贞子、丁香、大叶黄杨等对减轻HF的污染也有较好的效果；一株30cm直径的槭树在它生长最旺盛时能吸收有害重金属微粒：Cd60mg、Cr140mg 、Pb580mg 、Ni820mg，起到吸毒杀菌的优良效果，确实是神奇，令人赞叹的。
4）森林是防风固沙的卫士、阻隔噪声的屏障
东北一条2700 ha的胡杨林带，挡住了内蒙古阿拉善盟沙漠南侵，保护了沙漠中的绿州；1条40m宽的防护林带可减轻噪声10～15dB。
5）森林是涵养水源、消除热岛效应的空调机
1ha树林比无林区多蓄水300t，空气的相对湿度林区比无林区要高20%以上。城市绿化覆盖率达到50%时可基本消除热岛效应，绿化覆盖率每增加1%能使城市的气温下降℃，这是因为绿色植物本身有吸收CO2和反射红外线的作用，同时植物在代谢中散发水蒸气时兼有吸收红外线的作用，这三者都能达到降低温度的作用。
6）森林中的许多植物又是珍稀抗癌，防治病虫害的良药
森林资源的数量和管理维持水平，是国家繁荣、社会文明、民族兴衰、历史荣辱的重要标志。
（2）中国森林生态状况
1)中国森林与世界对比
全球森林总面积约28ha，平均覆盖率22%，在全球160多个国家和地区中覆盖率排前十名的是①圭亚那97%；②芬兰71%；③日本68%；④朝鲜60%；⑤瑞典58%；⑥俄罗斯48%；⑦加拿大39%；⑧美国33%；⑨罗马尼亚27%；⑩印度23%。按人口平均最多的是圭亚那196/ha人，世界人均
中国森林概况
全国森林面积约亿ha，总量在全球排第六位，按人均 ha/人，排世界第121位，覆盖率%（2000年）。
2)我国森林覆盖率逐年提高，而水土流失和荒漠化日趋严重的原因
改革开放以来国家对植树造林是重视的。早年建设三北防护林，对防风固沙，保护草原生态曾起到一定作用。尤其近20年，森林覆盖率逐年提高，据资料显示：我国森林覆盖率1977～1981年12%，1982～1987年13%，1991～2000年%。
我国的森林覆盖率虽然逐年提高，但生态恶化的趋势并未根本扭转，形势依势依然十分严峻：目前我国荒漠化面积260万km2，大大超过了全国耕地面积的总和，而且以每年6700km2的速度扩展，其中90%集中在西部地区；沙漠化也以每年2460km2速度增加；西南喀斯特地貌地区石漠化每年也以2500km2速度扩展；每年旱、涝、风、沙受灾面积3000km2；物种总数的15～20%受到威胁，数千种植物濒危，并已有一些珍稀物种绝迹。为什么森林覆盖率逐年提高，而生态环境未有改善，恶化趋势未得到控制呢？其主要原因：
①森林总量不足，分布不均，结构不合理
森林总覆盖率虽然逐年升高，但毁林也非常严重，所植幼林生态防护作用仍未显示，而老林、生态林、防护林，甚至原生林都因致富、开发、开路、开垦、火灾等种种原因被毁，因此森林覆盖率增长速度慢，仅是世界水平的%，而且现有的林区多集中在自然条件较好的地区。西部10省森林覆盖率只有11%，而水土流失、荒漠化、沙漠化地区较严重的西北五省区森林覆盖率仅有%。结构不合理，其中幼林多、生态效能差。
②人工林代替天然林，生态功能降低。
③大面积的人工纯林，单一化林生态系统极为脆弱且潜藏隐患。
④经济林代替了水保林，忽视了生态效能。
⑤造林整地工程粗放，本身就造成水土流失。
⑥草原和绿州生态呈逆向演替，草原过度放牧，建人工绿洲反而破坏原有植被，而草原——人工绿洲与沙漠间的过渡带明显萎缩或消失。
（3）森林生态保护对策
1）严肃贯彻森林法
我国于1984年9月20日由第六届全国人民代表大会第七次常务委员会通过颁布了森林法。在植树造林方面确实取得一定成效，森林覆盖率由1987年的13%提高到2000年的%，但砍伐仍在继续，从林政案看出：1997年仅长江中、上游发生乱砍乱伐的私人盗伐滥采、毁林的案件就有60万起！说明森林法的观念依然十分淡薄，也存在有法不依、执法不严、以权代法、共同作弊的现象。所以还需大力宣传森林法，通过严格执法将森林法、刑法同时并重的法律手段保护森林免遭破坏仍是任重道远。
2）全民植树
坚定不够地贯彻《全国人民代表大会关于植树节的决议》（）、《全国人代表大会关于开展全民义务植树造林的决议》（）、《国务院关于开展全民义务植树运动的实施办法》（）、《国务院中央军委关于军队参加营区外义务植树的指示》（）等。坚持、持久、扎实、年年不断的全民植树造林运动，使森林覆盖率逐年提高。
3）设立三级造林、护林队
设立国家、省、市和县、乡、村两个三级造林、护林队，规定地区，分片分段包干，省、市、县三级林警与镇、乡、村三级护林员联合管理的体制。
4）建立造林、护林奖励制度
对于非法砍树、毁林要施于重罚，执行刑法；对造林、护林有功人员要给予奖励，用量化评选办法表彰优秀林场主，优秀林警、优秀护林员，三年评选一次。
规定新婚夫妇要到指定地点植纪念树10株，写上姓名、结婚日期的标牌挂在树上，照相留念。每5年评选一次成活率最高者给予奖励。
5）发展防火护林的科学研究
①应用现代红外技术发展防火预报；
②采用液态氮，固态CO2灭火技术；
③应用太阳能遥控自动化气象站对森林火灾报警。
6）开展森林病虫害防治研究
欧洲有15个国家近680 万ha森林死亡，科学研究探明原因，值得借鉴：①空气污染，叶子失去镁，叶绿素遭破坏，失去光合作用能力；②酸雨危害，土壤酸化，直接伤根、茎、叶；③有害物质在大气中积累，四乙铅、汽油防爆剂在太阳的作用下形成溶于水的三乙烯，毒性大，还有其它有毒害的化学气体；④水土流失镁盐缺少；⑤高压电线产生的电磁波。飞机排出的NOx、CO、雷达的微波辐射；⑥地下水污染与干枯，森林丧失生机等。由此可见保护森林生态开展科学研究之重要。
（4）森林之国、花园之国森林保护借鉴
1）瑞士 花园之国的瑞士，历史上曾一度是荒岭危坡、山穷水恶，自然灾害连年不断的国家。19世纪中期，政府认识到森林与自然生态平衡，气候条件和水文条件之间的密切关系，决定把造林作为一项百年大计来抓，限制采伐，严格执行森林法，设立林警与护林员联合管理，国家提供资金与贷款，封山育林。经过几十年的不懈努力，今天的瑞士已有森林112万ha，大大改善了生态环境，成为世界花园之国。
2）美国 原属于多林国家，早年覆盖率50%以上。17、18世纪欧洲移民、垦荒，亿ha森林被伐，生态恶化。进入20世纪后开始重视造林、护林，除了颁布国家森林法外，还有49项森林管理法，每年举行严格的评选活动。用量化评选出优秀林场主，在白宫举行隆重仪式，由总统亲自接见。由于政府重视，措施得力，使森林覆盖率达到33%，而且还在逐年增加。
3）日本 日本在二战中森林被严重破坏。战后日本政府重视保护森林，1951年颁布森林法，严励惩处乱砍乱伐。规定新婚夫妇要到指定地点种植新婚纪念树5～6株，写上名字，结婚日期的标牌，挂在树上，照像留念，所栽树1株归村所有，其余归种植者所有。所植树成活率很高，使森林很快得到恢复，覆盖率达68%，排世界第三位。
4）印度尼西亚 印尼爪哇地方政府规定，凡是新婚夫妇栽树2株，离婚栽5株，离婚后再婚再栽3株，而且严格执行，成活率很高。
5）朝鲜 朝鲜战争使北方森林损失严重，上甘岭战役山顶削平十几米。1950～1953年被水冲刷及埋没的土地9万多ha，粮食减产26万t。战后政府颁布植树法，造林45万ha，森林在战后30年内大量恢复，覆盖率达60%，成为森林之国，在世界排行第四位。
降低温室气体排放总量，有效抑制全球气温升高
在1992年5月的环境与发展大会上，与会的183个国家和地区的代表签署了《联合国气候变化公约》（），缔约各方“承认地球气候的变化及其不利影响是人类共同关心的问题”。“感到忧虑的是，人类活动已大幅度增加大气中温室气体的浓度，这种增加增强了温室效应，导致了气温升高，并可能对自然生态系统和人类产生不利影响”。
缔约的最终目的是：“根据本公约的各项有关规定，将大气中温室气体的浓度稳定在防止气候系统受到危险的人为干扰的水平上。这一水平应当在足以使生态系统能够自然地适应气候变化，确保粮食生产免受威胁并使经济发展能够可持续地进行的时间范围内实现”。
然而这个“气候变化框架公约”（下称公约）只是一个原则性的条文，缔约的任何一方并未承诺具体降低温室气体运作方案和时间表，也没有提出降低温室气体可作参照的技术路线，当然更没有一个发达国家愿意主动承诺首先降低温室气体的数量和具体措施。“里约宣言”和“公约”签字已10多年，有哪个国家在按宣言之要求行事？因为任何国家都不敢为执行这个宣言而冒经济崩溃的风险！在没有找到比石化燃料和煤更廉价的能源之前，主要温室气体CO2排放量肯定降不下来！因此，地球人如果真正认识气温升高会对人类生存发展造成更多的灾难，必须冷静下来重新取得共识：
（1）地球人文明的三大支柱受到严重的挑战
人类在地球上繁衍生息的几十万年中，特别是在上世纪的百年里，共同创造了地球人光辉灿烂的文化和崇高伟大的精神文明和物质文明，并将永远载入太阳系的史册。但是，迄今为止地球人的文明是建立在使用燃煤和石化燃料作主要能源基础之上的，即把石化工业作为地球人文明的第一个支柱，从原油中分离出汽油、煤油、柴油、重油等多种油品，供人类衣、食、住、行以及各种机械、发电、交通、农业、矿山作能源和动力。使全球所有的机械、电讯、电影、电视、电脑、飞机、大炮、坦克总之是一切需要能源驱动的设备得以运转，也给地球人的黑夜带来一片光明，另外又从原油中分裂出乙烯，建立起塑料、橡胶、制药、炸药、化肥、化纤、染料、建材以至成千种化工制品；作为地球人文明的第二个支柱就是以钢铁业为基础的冶金工业；地球人文明的第三个支柱是以硅酸盐为基础的建筑材料及其建筑业。这三个支柱产业的工艺过程都会排出大量的CO2、CO、NOx、SOx等以及成百种有毒害的物质污染大气、水体，有的已成为公害，已危及人类的健康甚至生存和发展，情况已非常严峻。据科学家估算，地球上的石油最多只能维持50～80年；煤最多可再供200年；铁矿和其它资源也十分有限，有的也只能供应几十年。所以地球人创造文明的三大支柱正受到严重的挑战！
（2）地球人文明伦理上的缺陷
地球人创造文明早期的资本积累是靠殖民掠夺，靠残酷野蛮的战争，一个国家征服另一个国家，夺取另一个国家的资源，屠杀另一个民族，并俘掳作奴隶和廉价劳动力。殖民主义的罪行至今仍遗留给另一个民族的痛苦和伤害；20世纪的中、后期，许多国家虽然获得解放和民族独立，争取到国家的主权，但由于上几个世纪的殖民掠夺使全球许多发展中国家至今仍十分贫困和经济落后，这些发展中国家为了生存和眼前的利益根本不去考虑为了子孙后代和其它国家和民族的利益，不顾后果、掠夺式的开发资源，使地球环境遭到残酷的破坏，有的甚至成为不可复加的程度。造成越贫困越无钱治理环境，而环境和生态的进一步恶化导致更深一层的贫穷。这种恶性循环的局面威胁着人类的生存和发展。
（3）地球人文明的时代悲剧
地球人创造文明的漫长岁月中，发生过大大小小几千次的战争。上世纪就发生过两次世界大战，又经历了半个世纪的冷战，以及近年的两伊战、二次海湾战、波黑战，恐怖与反恐怖莫名其妙战。更为惊人和让人不安的是，从冷战到现在一直还在生产、更新的核子武器，如果一旦释放出来据说是足以炸毁月球和地球，人类高智慧文明，竟用高科技造出足以灭绝全人类的玩艺，这难道不是人类文明的悲剧？据科学家估算，如果世界各国都把用于研究制造武器和扩军备战上的全部经费都用来解决贫困和治理环境，那么全球环境危机和贫困问题可基本得到解决。地球人哪一天能够觉醒？哪一天能真正携起手来共同保护人类仅有的一个地球？哪一天能够坐在一个大圆桌上来讨论重新构建地球人文明新的三大支柱，创建另一种模式和更高一层的物质文明和精神文明？
（4）缔造支撑地球人文明的新能源支柱
从天文学理论看，宇宙中唯一不缺少的就是能量，按著名的爱因斯坦质能关系E=MC2可知，质量中蕴藏着巨大的能量，像太阳、木星、土星质量这样大的天体储存的能量是很大的，但如何把它变为能被人所用，这就需要科学技术的威力，所以，发展科学技术是解决能源危机和改善世界环境的根本出路。
1）太阳能的开发利用是缔造文明支柱的新署光
太阳每秒向空间辐射382亿亿亿瓦的能量（约×1033J/s）。太阳总辐射的能量用太阳常数来表示，太阳常数f=
2）地面太阳能电站的技术关键
建立地面太阳能电站，技术关键是制作硅光电池，当光照射到硅光电池的半导体薄膜上时便形成电流，将数以万计的硅光电池组成巨大方阵，配上自动跟踪太阳的反射镜和计算机监控系统就构成太阳能电站。单晶硅电池转换效率虽高，但价格昂贵，因而几十年来太阳能电池仅限于卫星、宇航、手表、计算器等。目前科学家正研究价格低的非晶硅，用碲化钙等代替单晶硅，并将其制成比原来薄1000倍的半导体薄膜，可使光电转换效率提高10%以上，而成本比单晶硅降低100倍。预计2010年太阳能电站将成为热电和核电强劲的对手。
太阳能利用看得见署光的一条信息是，美国通用汽车公司研制成一种“甲板”式太阳能汽车，将8800多个砷化镓和硅光电池安装在约8m2的汽车“甲板”上，所产生的电能用于驱动一台高效磁力电动机，这种只有5kg的轻型大功率发动机，每分44转，额定功率2马力，比一般电机大30～40%，这种太阳能汽车车身长6m，重约170kg，采用后轮驱动，体现出许多先进性。虽然目前这类太阳能汽车还不能批量生产而市场化，但用非硅光电池太阳能代替矿物燃料，从根本上消除汽车尾气污染，这是今后汽车发展的方向。
3）建造月球太阳能电站，地球人文明再上层次
地面太阳能电站受地球自转——公转和气候变化影响能量辐射非常不稳定，这是地面太阳能电站最大缺陷。由于月球上一无云彩，二无污染，太阳直接照射，在月面上阳光的吸收率很高，建造强大功率的太阳能电站比地球上容易得多。如果把照射到月球上的太阳光全部转换为光电能，按目前光电池的转换效率10%计算，可得到12万亿kw的电力，而目前全世界总发电量总和不超过100亿kw，所以月球提供的太阳光能比目前世界发电量总和至少多1200倍。在1000m2的月面上可提供130万kw的电池，这与一座百万人口的大城市的耗电量差不多。因月球上14天白昼、14天黑夜，月球上的光电站至少在相背的两个半球各建一座电站就可确保供电的需要。
在月球上建太阳能电站，人类基本掌握这类科学技术，但在月球上获得的太阳能怎样才能传输地球的技术还没有解决，目前只是提出了设想方案，即将月球上所获得的太阳能转化为微波，在地球上建造微波接收台，再将微波转换成电能供地球人使用。这其中也包括建造往返月球——地球的微波航天飞机。这就是说穿梭于地球——月球的运载飞机是直接来自月球太阳能，航天飞机上安装微波接受装置，这种航天飞机不但消除了燃料造成的污染，而且极大地增加了长距离运输的能力。
4）全方位开发月球构建地球人文明新的三大支柱
在月球上建太阳能电站只是开发月球的第一步，或许不是最佳选择，因为太阳能电站必须建造巨型反射镜，耗资巨大、维护不便。多年对月球的研究得知，月球上储藏一种地球上所没有的能源材料He3。
He3是氦的一种同位素。普通氦的原子核里有2个中子，而He3原子核有3个中子，它是月球上特殊环境条件下形成的。太阳风的高能粒子流中带有大量中子，由于月球上没有空气和水蒸气，也没有磁场，这些中子打中月球表面的He2，在漫长的地质年代中形成并聚集成He3。据估算月球上总共有100万t He3，这是核裂变的好原料。1t He3蕴藏1000亿的发电量，据此计算，月球上隐藏的He3可供人类使用10万年！与此相关的技术关键是将He3核裂变产生的能量必须用微波传送回地球。
利用月球上无空气的优越条件，发展有别于当今传统冶炼、建筑新技术、新工艺，新材料。冶炼易氧化，在地球上难于冶炼的稀有金属、贵金属和结构金属。月球上的钛铁矿是以FeTiO3形式存在，要发展冶炼新技术分离出金属铁和钛，以及铁钛合金同时还可以得到副产物——氧，以补充供给人类月球上氧的需要。对于缔造支撑人类文明的另两条新支柱，其技术难度可能比构建新能源支柱还更艰巨，所以保护地球生态环境保护属于人类仅有的一个地球任重而道远。
生态工程建设
为了有效遏制生态环境恶化趋势，世界上一些国家和地区进行了一系列大规模的生态工程建设，对改善全球或地区生态环境起到一定的作用。人类对生态工程建设所作的努力可追溯到上世纪初，但总的说规模比较小，规划、设计也仅是从本地区利益考虑，有的也欠慎密或存在争议，所以其实际生态效能还有待于经住历史的考验。这些地区性生态工程有：美国罗斯福工程，前苏联斯大林改造自然工程，北非五国绿色工程，中国的生态工程。
图 美国罗斯福生态工程
（1）美国罗斯福工程
美国建国初，人口集中在东部的13个州，19世纪中叶，中西部6个州人口迅速增长，由于过度开垦和放牧，大片草原遭到破坏，19世纪后期经常发生沙尘暴，灾害频繁，据统计1898～1932年各大州发生大旱28次，平均不到两年就发生一次。而1934年5月发生特大沙尘暴，席卷全国2/3大陆，使6亿ha耕地受到危害，小麦减产102亿kg，大片农田毁于一旦，这便是有名的黑风暴事件。当时的美国总统罗斯福于1934年7月宣布实施《大草原各州林业工程》，也称为“罗斯福工程”。该工程纵贯美国中部六州，南北长约185km，东西宽160km，建设面积达1851万ha。采取乔木与灌木，针叶与阔叶相结合，用40多种树木营造长400～800m，宽15～30m的农田防护林带，到1942年共植树亿株，林带总长万km。以后至20世纪80年代中期，人工林带总长达16万km，面积约65万ha。
（2）前苏联斯大林改造自然计划
前苏联早期由于森林植被较少和特殊的高纬度地理条件，其农业生产经常遭到恶劣天气的影响，产量低而且不稳定。为了保证农业稳定高产，1948年由原苏联公布了“确保农业稳产计划”，即史称《斯大林改造自然计划》。该计划公布了“苏联欧洲部分草原和森林草原地区营造农田防护林，实行草田轮作，修建池塘和水库，以确保农业稳产的措施”。该工程于1949年开始实施至1953年因各种原因使计划中止，这期间共营造各种防护林287×104ha；在中止14年之后至1967年，该计划再次实施，到1985，全苏营造防护林约550ha，防护林带总长11500km，对调节气候，农业增产稳产起到了积极作用。
图 北非五国绿化工程
（3）北非五国绿色工程
世界最大沙漠——非洲撒哈拉沙漠的扩张、侵蚀，严重地威胁着周边国家，特别是摩洛哥南部、阿尔及利亚和突尔斯的干旱草原区、利比亚与埃及的地中海沿岸和尼罗河流域等。为了制止沙漠北移，控制水土流失，发展农牧业，北非的摩洛哥、阿尔及利亚、突尔斯、利比亚和埃及五国政府决定在撒哈拉沙漠北部联合建设一条横贯北非的绿色植物带，使该地区绿化面积翻一倍，以恢复该地区的生态平衡，并兼顾农业，牧业的协调发展。该工程于1970年开始，已营造人工林60万ha，使该地区森林覆盖率达%，森林总面积达到1034万ha。
中国生态工程
（1） 三北防护林体系建设工程
“三北”指中国的东北西部，华北北部和西北大部，总面积 亿ha，占国地面积的%，居住着亿人口，历史上这里曾经有茂密的森林和肥沃的草原，有30多个民族在这里繁衍生息，举世闻名的“丝绸之路”和“万里长城”是这里繁荣的文明的象征。
由于历代战争和人口的激增，大面积森林和草原遭到破坏，这里分布有世界第二大沙漠等12个沙漠（塔克拉玛干、古尔班通古特、库姆塔格、巴丹吉林、滕格里、库布齐、浑善达克、毛乌素、科尔沁等大沙漠）沙漠面积亿ha，这里有世界上水土流失最严重、最集中区域之一的黄土高原，面积670万ha，年流失土壤10～100t/a，使黄河河床逐年增高5～10cm，造成下游河床高出地面3～8m以上，成为黄河的大隐患。到20世纪80年代，全区森林平均覆盖率仅为5%，其中荒漠化、半荒漠化地区地区森林覆盖率只有%，江河源生态遭到严重破坏。为了控制风沙危害和水土流失，改善生态环境，1987年中国政府决定建设三北防护林大型生态工程。计划从1987～2050年，历时63年完成这一巨大生态工程，东起黑龙江宾县，西至新疆乌孜别克山口，东西长4480 km，南北宽560～1460 km，横跨13个省551个县（旗），总面积亿ha。整个工程分三个阶段实施，第一阶段23年，造林2177万ha，建成一批区域性防护林体系；第二阶段用20年时间造林万ha；第三阶段用40年时间整个三北防护林建成，森林面积增加到6057万ha，森林覆盖率提高到15%，森林积蓄量提高到43亿m3，生态经济效益累计可达13047亿元，共需投资亿元。
该工程自实施至1992年底，共完成人工造林1340万ha，封山育林，飞播造林1267万ha，边沿地区植树30多万株，使三北地区森林面积增至3700多万ha，森林覆盖率提高4%，从而减轻了自然灾害。1987年该项工程项目被联合国环境规划署授予“全球环境500佳”称号。
（2）沿海防护林建设工程
中国海岸线很长，约万km，北起中朝边境的鸭绿江口，南至中越边界的北仑河口。夏季太阳直射北半球，沿海地区极易受台风、暴雨、旱涝的危害。据统计沿海地区水土流失面积近400万ha，占沿海地区面积的%，年均遭受9次台风袭击，历年经济损失严重。为提高沿海各省抵御各种自然灾害的能力，改善生态环境，1988年政府决定建设沿海防护林体系。工程包括沿海11个省的195个县，计划从1988年至2010年历时22年完成。造林面积355万ha，使沿海地区的森林面积增加到900万ha，森林覆盖率由%增加到%，农田林网化面积达到767万ha。如果这个世界上最长的沿海绿化工程得以胜利完成，它将成为我国万里海疆的一条绿色屏障，对抵御台风、调节气候、涵养水源、保护生态中起着重要作用，是一项功在当代，利在千秋的生态工程。
（3）全国治沙工程
中国是世界上沙漠化、沙尘暴危害严重的国家之一，除占有塔克拉玛干世界第二大沙漠外，从内蒙、宁夏、甘肃、青海、新疆等省与蒙古国接壤边界地区还分布有11个大沙漠，全国现有沙漠149万km2，而受沙漠化威胁的212个旗县，断续约为5500km，面积万km2，危及11个省区的3500多万人口。1991年国家批准了《1991～2000年全国治沙工程规要点》要求在保护现有林草植被的基础上，采用乔、灌、草相结合，封沙育草育林、飞播育草造林与人工造林并举的方针，计划治理沙漠和沙漠化土地666万ha，使部分地区的沙漠化趋势得到一定程度制止。但必须看到这项治沙工程量小，时间较短，投入的资金不足，各级政府重视也不够，十年时间早已过去，沙漠化趋势，沙尘暴危害至今仍未得到有效制止，所以第二期全国治沙工程有待于起动。
（4）长江三峡工程
长江是中国最大的河流，干流全长6300Km，流域面积180万km2，年平均入海水量9600亿m3，从干流长度和入海水量论，长江均居世界第三；长江孕育了中华民族，创造了辉煌的华夏文化。但历经漫长地质年代和人为的破坏，长江流域的原有生态平衡作用逐渐失去，尤其江河源和中上游地区生态破坏更加严重，至使从1954年至1998年的44年间就发生了三次特大洪灾。
长江源涵养水源区，原有森林3250万ha，经几十年的砍伐至1998年长江特大洪水之前已降至463万ha，丧失了%，上游原本茂密的森林如今已荡然无存，四川、云南两省20世纪50年以来大小森林企业70多家，形成了采、集、运、销的伐木基地，共供应木材亿m3，每年砍伐木材量1437m3，上交利税20亿元。但仅1998年长江洪灾单救灾款就达20亿元（不包括各地救灾捐款），据报道仅1997年发生无证采伐和乱采乱伐的盗林案就达60万起！那时金沙江每天有10万之众淘金、砍木为炊，泥石倾泻惨不忍睹；中游地区因人口猛增，利用长江水系、水道伐树围湖，堵湾建垸（居民点和村庄），所以，为1998年长江特大洪灾所付出的代价就是长江中上游生态环境严重的破坏。因此，如何防治长江中下游洪灾，成为新中国成立以来长江水利工作的重点。
1992年4月3日，七届全国人大五次会议审议了国务院提出的《国务院关于提请审议兴建三峡工程的议案》，表决通过了《关于兴建长江三峡工程的决议》，正式批准该项工程列为国民经济和社会发展10年规划。预计：该工程的兴建形成库容为393亿m3的河道型水库，可调节防洪库容达亿m3，使其有效地控制长江上游暴雨形成的洪水，使荆江地区的防洪标准由目前的十年一遇提高到百年一遇；改善洪患及分洪引起的环境恶化，灾后疫情等，有效地减少下游湖泊的泥沙淤积，改善水质，减轻污染；建设高达160 m的三峡大坝蓄水建造世界最雄伟的水电站，当6台机组同时投入运转时相当于10座180万kw级的火力发电厂，为华北、华东地区提供强大的廉价电力。三峡工程建成，尤其水力发电能避免大量的废气、废水、废渣污染，减轻CO2排放造成的温室效应显著的社会经济环境效益；高峡平湖、巨大水利工程对抗御洪、旱灾害、灌溉万顷农田也具有显著价值；改造航道，根除险滩，从此“纤夫的爱”只能传为历史佳话，万吨巨轮可从上海直航重庆，这对于长江流域经济开发以及旅游，航运亦具有重要意义。因此从以上的预期可看出三峡工程是一项重大的生态工程。但有一些专家学者对此也持有不同看法。当然三峡工程还在建设之中，防洪、灌溉、发电、航运效果容易显现，但生态效益及拦江大坝，高峡平湖对生态的作用还有待于经住历史的考验，千秋功德任评说！
（5）西部开发工程
中国的西部一大片神奇的土地，具有丰富的资源，全国80%以上的水能资源，70%以上的天然气储量、60%的煤炭储量……都在中国的西部，但其经济发展却远远落后于东部。
（Ⅰ）忧患长江
中国两条雄伟、壮丽的母亲之河——长江、黄河都发源于西部的青海省（著名的国际河流澜沧江、怒江、雅鲁藏布江、沅江等也发源于西部），然而西部江河源生态已遭到破坏。长江上游干流和支流的源头天府之国的四川，20世纪50年代初森林覆盖率20%，川西40%，到了20世纪90年代初降到9%，川中58个县只有3%，岷江、金沙江、大渡河等重要支流流域森林已接近枯竭。岷山千里积雪大幅度减少，全省水土流失1957年为×km2，30余年增加了%，特别是川中农业区每年丧失沃土50多亿吨。全省每年丧失表土以巫峡输往下游泥沙亿吨，相当于450万亩土地流失表土17cm，而大自然形成1～2 cm厚的土层需200～300年！滑坡泥石流越来越严重，20世纪30年代泥石流14个，到50～60年代76个，80～90年代发展到100多个，发生泥石流的县有135个，占全国水土流失面积的1/4。西部开发一定要把江河源生态恢复放在首位。
（Ⅱ）拯救黄河
最少是几万年以来，黄河长江不仅以其宽广博大的胸怀孕育了华夏文化，而且还用甘甜乳汁滋养着繁衍不息的炎黄子孙……，然而近10年来黄河一方面连年断流，污染严重使黄河凄然；另一方面黄河源生态屏障的绿色植被日益萎缩，青藏高原原有植被亿ha，但由于近年来的过度放牧，过度开垦使草场退化、沙漠化、荒漠化严重，据统计目前青海境内黄河上游草场退化面积423万ha，荒漠化草场113万ha。由于草场投入少，掠夺式的经营，管理不善，草场老鼠为患严重，致使青海亿ha草场有亿ha变成“黑土滩”——千疮百孔的老鼠洞，草皮焦灼而且像病疫一样蔓延；黄河源森林覆盖率逐年减少，目前只有%，水土流失已达万km2，使黄河河道每年增加6780万吨泥沙，年输入泥沙总量达16亿吨，而水量自1988年以来的10多年中，比常年减少%。所以一方面气温升高，冰山融水使水耗损、蒸发量加大，另一方面又用水量过度，黄河断流也就必然的了，近25年来，黄河累计断流27次，共682天，进入20世纪90年代断流次数和时间逐年加长，1996年断流13次共226天，创黄河断流历史上最高纪录，一年断流时间相当于以往8年的总和，当年开封以下700多公里河段河床干涸，无滴水入海！黄河并不是一条水量少到会自然断流的河流，断流原因主要是上游建造10多个大型水电站，中、下游又不适当建设耗水量巨大的各类企业，向黄河取水量远远超过黄河所能承受的量。在20世纪60年代黄河下游全年引黄河水量24亿m3，到1996年为止，全流域引黄河水超过270亿m3。然而引黄工程的计划仍在扩大，因为整个华北尤其山东、河南、山西、陕西、宁夏、甘肃、青海、内蒙等黄河流经的大省都是十分缺水地区，而黄河又无大支流，这些省发展工业用水都眼睛盯准黄河水，预计至2010年前后引黄水量将超过400亿m3。而黄河天然径流量在汛期只有580亿m3，非汛期水量占40%只有230亿m3，也就是说，到21世纪初，非汛期的黄河之水被完全榨干后，直到滴涓全无尚缺10亿m3，如此开发引黄怎么不断流呢？凡是认真思考21世纪所面临环境问题的黄尖子孙，我们再也不能对母亲之河的凄然负重、伤痛熟视无睹，漠然置之了！不把黄河的问题引入西部发议程，我们无法向22世纪及其之后的子孙作出交代！
（Ⅲ）实施西部开发伟大战略
1999年6月，中国政府发布了实施西部开发的战略，2000年1月党中央，国务院批准了关于西部开发的战略方针。
西部开发核心是发展经济，同时也应把生态环境保护纳入开发的重要内容，走的是可持续发展的道路，不能以牺牲生态环境为代价来发展经济。对于那些耗竭资源，污染环境、破坏生态、经济效益又很差的企业应取缔处置。如2001年8月30日，国家环保总局通报处理了陕西省旬阳县政府降低投资门槛招商引资，导致污染破坏环境案。因他们在汉江及其支流地区建设的13家铅锌矿企业，都是设备简陋，无任何防护、防漏及选矿废水处理措施，排放废气、废水严重超标的企业。
西部大开发不是大开荒，要遵循科学规律和经济规律，认真吸收国内外各方面的经验教训，探索一条经济效益、社会效益、生态效益相一致的可持续发展的路子。要把握好西部大开发的生态建设和环境保护相互关系的原则：一是正确处理开发与保护的关系，必须把生态建设和环境保护作为西部开发的根本任务和有力保障。避免走“先污染后治理，先破坏后恢复”的老路，一方面采取有效措施保护生态环境，有计划分步实施退耕还林、还草，加强天然林保护长江、黄河上中游江河源的生态保护，防止水土流失。另一方面，严格新建项目的环境管理，控制污染向西部转移；二是通过调整产业结构促进环境保护，重点加强交通、水利、通信、电网和城市基础设施等重大工程建设，改善生产条件和生态环境。结合“西气东送”、“西电东送”、“南水北调”，改造城乡燃料结构，控制大气污染。加强农业，发展特色产业，推进优势资源的合理开发和深度加工，扶持有生机的旅游业，构筑有利于环境保护的经济体系；三是依靠科技进步，采用新的科技、高科技技术改造传统产业，降低能耗、物耗，减少污染源。按市场经济的规律，运用价格等经济杠杆，促进企业和社会各方面的节水节能和污染治理；四是经济与环境协调发展，通过全面规划，重点整治生态环境脆弱地带，尤其是江河源生态恢复，落实自然保护区、人工营造林区、人文景观区、历史名胜区、特殊地质地貌区和生态旅游开发区等责任制，使西部生态环境质量基本好转。在经济繁荣的同时提高人民的物质文化生活水平。
西部大开发不是权宜之计，而是功在当代，利在千秋，有著名专家学者提出了高瞻远瞩的建议：
1）强以流域为单位的国土整治，制止不合理的人类活动
以流域为单位的国土综合整治的核心是作好水土平衡，综合考虑流域的人口、经济、资源、环境、生态的协调发展。分阶段提高流域内的安全度、舒适度和富裕度。对于已经造成生态破坏构成严重威胁的人类活动，如盲目垦荒、水资源浪费、重污染企业、森林砍伐、猎杀珍稀动物、借开发肆意毁林破坏生态等行为应予立即制止。
2）调整产业结构，减少经济活动对生态环境的压力
西部地区生态环境的恶化是由于人口增多，农业过度开发、过度放牧、造成水土失衡。在水资源十分紧缺的地区，将水大量用于农业造成对水资源极大浪费。针对西部地区具有独特的地理、地貌、多样而奇特的景观、生物的多样性、多民族的人文景观，丰富的旅游资源的异彩性，应当坚定不移，退耕还林，发展旅游业和生态农业；利用高科技发展科技产业，如太阳能产业和生物技术产业。
3）西部开发要对人口及耗水量实行总量控制
人口膨胀及水资源利用的无政府状态是造成生态环境恶化的根本原因。在西部开发过程中要控制人口总量，同时对水资源的开发利用实行严格的取水许可证制度。
4）对跨流域的调水特慎重态度
西南地区水资源非常丰富，合理开发至关重要。大量由西南向西北调水应持慎重态度，因为西北地区蒸发量极大，当大量水调入后成为污水无法排出，蒸发后大量污染物和盐分将留在土壤中并污染地下水，长期积累将使西北地区生态遭到彻底破坏。在西北地区水需求的根本出路是形成节水社会，在水的利用过程中尽量减少蒸发；即使实施南水北调，也必须采用现代技术，实现废水资源化和水的回归循环式用水。
5）西南的水电开发应优先于西北的石油开发
西南地区水电蕴藏量大，其中四川可开发10346万kw；云南8916万kw；广西1752万kw；贵州1683 kw；如果这些水电资源得到合理开发和利用，实现强力电网的西电东送，则可计划关闭东部地区重污染的火电，使CO2排放量降下来。
西北地区虽然有一定量的石油资源，但石油开采和炼制既是重污染企业还是耗水大户，因此对于石油开采和炼制不应沿着过去石油采炼的老路，要发展石油采炼的高新技术。所以，对于西北蕴藏的这一有限石油资源，留作采炼高新技术作试验。
海洋生态环境保护
（1）海洋生态系统的作用
海洋是生命的摇篮、风雨的故乡、食物的宝库、航运的通道。生命源于海洋，而直到现在以至将来海洋都是地球上生命繁衍的种类和数量最旺盛的地区，也是人类生态环境最重要的组成部分，它关系到人类的生存发展与未来。如果海洋因污染丧失生命力，人类将会从地球上消失。所以海洋生态环境保护是一项战略性决策。
海洋的生态系统对稳定全球环境系统起着决定性的作用，如雨量、气候、气温、风暴潮基本都是由海洋主宰。海洋生态系统的生物化学反应保证了地球环境的安定。例如赤潮与黑潮现象即反映了城市排水、化肥生产、农业施肥所引起的富营养化作用使海藻大量繁殖；海洋生态的破坏最终又损害人类健康，影响人类生存与发展。
海洋具有稳定全球环境机能的海洋资源，是地球生物生存的重要源泉。海洋中每年产生的生物量约1300×108t。据资料介绍，海洋每年可向人类提供3×108t鱼类和贝类，所以海洋是人类食物蛋白质的主要来源之一，但目前被利用的还不到1×108t。
海洋中埋藏的矿产资源极为丰富。海底储藏的石油量占石油总储量的1/3。近几十年内发现并开采的深海锰矿，是一种含Mn、Fe、Cu、Ni、Co等20几种金属元素经济价值很高的富矿，它分布在大洋底，据测算仅太平洋海底就有数千亿吨，按目前消耗水平，每年140×104t计算，足够供应14万年。
海水中溶解了各种化学元素及其化合物。尤其是Na+、K+、Cl－、I－、Br－、SO42－、PO43－等非常丰富，是一巨大化学资源；另外海洋为发展航运提供既廉价又优越的条件，为各大洋各大洲物质、信息流通提供方便；海水同时又是巨大的动力资源，海浪潮汐都可用于发电，仅潮汐每年就可发电×1012kw；近代科学发展海水淡化技术，为缺水地区提供丰富的水资源。如今海水淡化技术（反渗透、电渗析、离子交换、膜分离）在缺水的海湾国家已普通使用。
沧海桑田，使地球变化万千、生机勃勃都是海洋生态运动所致。海洋文化已成为当今世界科学进步的策源地。
然而人类生产生活的废弃物有相当一部分最终均流入大海，海水的运动使污染物在扩散沉降循环运动中得到自净。与此同时海洋对热量的调节和缓冲作用才使得地球热量保持相对稳定。但由于地球人口的猛增，发展经济不注重保护环境。近50年来几乎全球河流的污染物大量涌入海洋，有害化学物质、漂浮的废弃物、大量原油因战争和海上事故而倾入海中等重型污染事件不断发生。由于海洋的容量非常之大，以至包括海洋深层的海水循环一周期需要数百年，因此海洋遭受的重型污染影响海洋机能所潜伏的危机可能暂时不易发现，一旦暴发可能就非人类力量所能挽回的！
图 厄尔尼诺成因示意图
（2）海洋生态的特殊效应
1）“厄尔尼诺”（EL—NINO）现象
i 沃克大气环流
地球表面的热量平衡在很大程度上受地球大气环流的支配，大气能量包括大气热能和大气动能的总和。大气能量%来自太阳辐射，由于我们的太阳是宁静而稳定的，虽然有太阳黑子活动，但在近100多年对太阳常数测量结果表明，太阳辐射的变化引起大气平均温度变化不超过℃，但实际上大气年际之间的温度变化可达℃左右，可见引起大气能量变化的主要原因来自大气内部。如果大气吸收太阳能的50%用于转化为大气的动能与热能，另外50%反射回太空即达到平衡。但大气环流因受物理因素、化学因素或其它动力因素等作用则可能破坏这个平衡而造成灾难。
大气环流的运动遵循一定的规律，1969年英国气象学家——沃克最初发现的规律，称为海——气能量交换环流。它发源于西太平洋赤道地区的印度尼西亚和马来西亚附近海域。在这一广阔海面受太阳直射产生一股强烈的上升热气流；当上升到6～7km高度后向东偏南方向流动，到达东太平洋南美洲南回归线附近时，因受海拔6000m高的安第斯山的阻挡，同时又受到南美大陆一股上升气流的阻抗而下降；因下降气流带有很大的冲力，把下降中心东太平洋复活节岛附近赤道以南大片洋面海水吹向西去，同时又把这里深海内部的冷水上翻，于是在这里出现一大片洋面的冷水区；沃克环流下降后要循回它的发源地，这就在太平洋赤道地区形成一股东南风，气象上称为“东南信风”；这股风又把太平洋赤道表面海水吹向西去，而西太平洋赤道海域是由成千上万个岛屿和半岛组成的弧形结构（印度尼西亚——千岛之国以及马来半岛的地形地貌），所以西太平洋受亚洲大陆的阻隔这里的洋面实际是封闭的，从东部吹来的洋水在这里堆积，在正常年份里这里的海平面比东太平洋冷水区高60cm左右，堆积的海水可达1万亿米3；堆积的水受阳光直射，有较强的蓄热作用，热量的积聚使这里成为太平洋最热的水域，在正常年份这里比中太平洋海水高2℃，比东太平洋冷水区高6℃。这就是非厄尔尼诺年份，太平洋上大气环流的三大气象特征：（A）东太平洋赤道附近出现的正常冷水区，（B）太平洋赤道上的东南信风，（C）西太平洋赤道海域堆积的热水，这股热水造成的气旋形成热带风暴或台风。
ii 厄尔尼诺的形成及其危害
地球地表气温升高和海洋的污染是造成厄尔尼诺形成最直接的原因。
大气以及海洋污染的积累，均造成大气和海洋吸收太阳能量增多，而气温升高大气吸收的能量增多必然促使大气向外膨胀，大气平均气温升高℃可使大气平均向外膨胀20～30m，对于赤道附近因气温就比平均气温高很多，所以赤道上空大气向外膨胀值要比平均值高数倍。当东进的沃克环流上升高度超过安第斯山后，受到南美大陆上升气流的阻抗作用开始下降，但这与正常年份的气流在安第斯山西侧下降不同，由于在EL—NINO年份气流是在安第斯山东侧下降，所以，当它下降后再返回发源地时，立即受到安第斯山的阻挡，这就造成下降的沃克环流全部被滞留在南美大陆，使得这里出现狂风暴雨的反常天气；由于沃克环流被阻，既不能把东太平洋洋水吹向西去（沃克循环回路），又无力再冲击深海冷水向上翻，而使在安第斯山西侧的东太平洋海域冷水区的消失；与此相关的西太平洋赤道信风消失；堆积在西太平洋赤道的热水向东回流，东西太平洋海平面也趋于一致，于是厄尔尼诺现象出现。这种现象开始于春季，直到沃克环流受阻，经历4个月左右，到了7～8月份，当这股回流热水流到东太平洋，于是整个太平洋赤道地区都热了起来，厄尔尼诺就达到高峰期，这时的季节必然是夏季。
厄尔尼诺现象的主要特征可归结为三点：（A）东太平洋赤道以南海域冷水区的消失，（B）太平洋赤道地区东南信风的消失，（C）西太平洋赤道地区的热水向东部回流。
厄尔尼诺灾害性的气象，最明显的征兆是热浪滚滚；受害最重的地区是太平洋和环太平洋地区，造成全球大气环流紊乱，气候异常，干旱、暴雨、病虫害、甚至造成全球性传染病。厄尔尼诺高峰年，赤道太平洋岛屿、智利中部和阿根廷的气温炎热异常、澳大利亚和印尼异常干旱、赤道东太平洋海水温度异常增高，中国东南沿海非常炎热而长江中、下游或淮河流域的暴雨成灾。
2）“拉尔娜”现象
过去人们是把“厄尔尼诺”与“拉尔娜”分裂开来，认为“拉尔娜”是独立现象，其实“拉尔娜”是与“厄尔尼诺”相关的“副产物”。
当厄尔尼诺高峰过后，时间到了夏末秋初，堆积在西太平洋赤道地区的多余的热水因向东回流而逐渐消失，沃克环流的源动力也大为减弱，进入南美大陆上空的沃克环流开始西退，厄尔尼开始减弱。此时东进的沃克环流高度下降，再越不过安第斯山，气流下降冲击东太平洋海域，冲击力造成东太平洋冷水上翻，于是在东太平洋赤道海域又恢复了原来的冷水区；沃克环流的继续西去，将冷水推向西太平洋赤道海域，形成一股西进的冷流，这就是拉尼娜现象。所以一次厄尔尼诺过后容易出现拉尔娜现象。拉尔娜一般发生在夏秋之间，但它的影响比厄尔尼诺要小得多。“拉尔娜”现象实际是海洋大气环流的一部分，仍带有一定的水汽，如果此时有冷空气南下，夏秋之间有可能送来一场秋雨；但若此时如无冷空气南下，而受副热带高压控制，则东南沿海大陆仍会出现反常高温，拉尔娜反而被副热带高压所掩盖或消失。
在厄尔尼诺成因中，安第斯山起着特殊作用。在气温较正常的年份，它以山的西侧挡住了沃克环流的东进；而在气温偏高的年份，它以山的东侧阻挡了沃克环流的回路，这是地球地理因素对气候影响的典型事例之一。
（3）海洋的污染
海洋污染是由于人类的活动将各种遗弃物，废水、废渣、垃圾抛撒海洋。由于海水量之巨大，“海纳百川”和海浪，海潮的澎湃波涛的冲刷，污染物在大洋中驱散和通过大洋得到自净。所以一旦当海洋污染异常则表明污染已非常严重，已造成公害！主要有赤潮、黑潮和原油泄漏造成海湾大面积污染，海生生物、海鸥生灵涂炭。
1）赤潮
赤潮的成因及其影响
水体富营养化和气温升高是形成赤潮的主要原因。由于城市人口的猛增，未经处理或虽然处理但仍不达标，尤其含氮、磷高的城市污水大量排入水体汇集海湾造成富营养化。如果此时天气干旱、光照强烈、气温升高，则富营养化的水域藻类大量繁殖形赤潮。
藻类（algae）属低等浮游水生生物，原生质的组成为C106H263O110N16P1，除C、H、O元素之外，藻类生长需求最多的营养元素即N和P。水体富营养化（eutrophication）就是指生活污水、工业污水、农田灌溉、冲刷、迳流排出含N、P（N＞～
106CO2+16NO3－+122H2O+18H++HPO42－ C106H263O110N16P+138O2
可知水体中少量的NO3－（）和磷（lgHPO42－）就能产生大量的藻类（115g）。由于热力学作用，水体在高温季节可呈分层现象，即上层水暖比重小，下层水冷比重大，如果此时水面受富含N、P有机物的污染，则在水面光照充足藻类旺盛繁殖；而在下层水中，由于上层藻密度大而遮住阳光，主要进行藻类的呼吸作用，同时由于下层缺氧，异养菌对有机物进行厌氧分解，使整片水体腐败发臭，造成水质极度恶化，呈土红色称为赤潮或红潮（redtide）。发生在湖泊则称为水华（water bloom），在海洋则称为赤潮。所以赤潮的危害不单是藻类的生殖，更主要是藻类呼吸代谢，当藻类死亡时基体的腐败造成水质恶化。从藻类呼吸代谢（即藻类生成的逆反应）过程可知，要分解1mol的藻类质量要消耗138mol质量的氧气，所以藻类代谢耗氧是惊人的。
赤潮的特点是来势凶猛持续时间长，其后果是海水水质恶化，对水产业和养殖业造成巨大损失，也危害沿海居民健康和渔民作业。形成赤潮的藻类主要是甲藻，而甲藻产生一种毒素，在贝类中积累，人食贝类易引起中毒，而藻类代谢死亡导致水体腐败，厌氧菌的活动产生胺类、酮类等使水体散发土腥味、霉腐味、鱼腥味和硫醇、吲哚的恶臭，使鱼虾大量死亡，漂浮在水面使大片水域生态环境严重破坏形成公害。
2）黑潮
海面有时会出现黑白色或黑绿白色的混浊现象，这一海水变色现象称为黑潮。这是由于存在底层含硫的缺氧水团向沿岸涌升所致。黑潮发生时，在缺氧水的影响下，鱼类因不能有效呼吸而死亡，这不仅影响海洋生物繁殖生存，也给渔业生产、海洋经济造成重大损失。
大面积海域原油和高浓度有机物排入海中，造成缺氧水团的形成过程及其中物质循环的紊乱，是造成黑潮形成的原因。在重污染的海域，当原油和高浓度有机物进入深水中时，则进入厌氧状态，厌氧菌将有机物分解形成有机酸（羧酸、乳酸、环烷酸、油酸等），这些有机酸在水中积累，还原菌增殖，形成H2S，当缺氧底层水涌升时，水中H2S被上层水中的氧所氧化形成胶体硫，并与这些分解的有机物混合，使海水呈现黑白或黑绿白的浑浊体即形成黑潮。黑潮的危害比赤潮大，尤其对深水海生生物，如鲸、海豚等具有很大的杀伤。鲸、海豚集体搁浅“自杀”多由于海洋深水污染所造成。
3）海洋的原油污染
海洋的原油污染主要来自三大污染源。第一大污染源当数海上油田开发、海底石油采钻；第二大污染源是海上巨型油轮的翻沉，原油在海域大量泄漏造成重大污染事故；第三是人类战争的特殊原因。迄今为止，世界上最大的原油污染海洋的事件是两次海湾战争，几十万吨原油流入大海。科威特和伊拉克油田破坏造成波斯湾海域的严重污染。大部分原油在西北风和环流作用下，在2～3个月内，南下到200km之外的海域。此外海上油田的井喷事故，如墨西哥坎佩切海湾的油田井喷以及多起的巨型油轮在海途失事，都给海洋生物造成极大灾难和海洋生态破坏的严重后果。
洋的生态环境保护
赤潮的监测和预报
水体富营养化是形成赤潮的主要原因，有学者提出下列公式测算水体是否达到富营养化，从而对赤潮作预报。
H1= ≥1
若测定结果≥1，则说明水体中N、P的含量达到富营养化的程度，此时如果水体光照充足，气温高则很容易形成赤潮，其最终后果是藻类代谢形成赤潮，水体腐败释放出大量有毒害气体H2S、NH3、PH3、CH4等使水体恶化，破坏生态。
赤潮增殖的量可通过测定浮游生物初级生产量来估算，它对水体环境质量评价和水产资源合理开发利用具有重要意义。浮游生物又以藻类为主，所以通过测定藻类生长繁殖来评定生物生产能力。比较简易的方法是用黑白瓶测氧法，测定的原理是根据藻类的特征，它们在阳光照射下进行光合作用合成有机物而释放出氧气。具体步骤是依据将其中的一个被黑布遮光的黑瓶完全不受光的照射，而其中的另一个白瓶是在完全光照下。黑瓶中的藻类进行呼吸作用消耗水中一定数量的溶解氧，而白瓶中藻类进行光合作用则会使水中的溶解氧增加。通过黑白两瓶之间溶解氧之差，即可计算出该水体中藻类总生产量、净生产量和呼吸量。即：
① 浮游生物藻类初级生产总量PG
PG=白瓶溶解氧量－黑瓶溶解氧量
② 呼吸氧量PH
PH=初始溶解氧量－黑瓶溶解氧量
③ 浮游生物藻类净增量PN
PN=PG－PH 产量单位mg(O2)/
2）赤潮的控制
①制定法规，严格限制含N、P超标的工业污水、生活污水排入海洋。
②严禁江河、湖泊的淤泥、污泥排入海湾，对大量淤积污泥的江、河、湖、泊限期疏浚清理，制止工业污泥、生活污泥排入海中。
③提倡科学养殖，加强对内海、海湾网箱养殖的管理，减低网箱密度。
④严格控制围海造地、围海造田、滥采乱挖海滩砂石等破坏海滩、海岸生态环境的行为，加强对海岸、海滩开发利用的规划管理。
⑤加大并保障海洋环境保护资金的投入，加大海洋环境保护的力度，特别要加快对入海河流流域的环境综合规划与整治和城市污水综合治理。制定建设城市污水处理厂，未经处理的污水绝对禁止排入海洋的法规、法令，确保这些法规、法令、政策的贯彻落实。
⑥尽快建立健全农村作业面的环境管理和普及推广科学施用农药、化肥的技术，控制冲刷农田、果园富含N、P的雨水直接流入海洋。
⑦加强对赤潮发生、发展与临界条件的科学研究，在做好海域环境监测的同时，开展赤潮监测、监视和预报工作。
3）赤湖的防治
污水深度处理
有机废水包括工业废水和生活污水的生物化学处理，包括三个主要过程，即有机物的碳氧化和氨化、氨氧化和除磷脱氮。碳氧化是通过微生物在缺氧条件下的分解作用将废水中的有机污染物分阶段水解转化为有机酸；进而再氧化为CO2、H2O和SO42－、PO43－等小分子化合物；有机污染物中的蛋白质、脂肪、脂肪酸等含氮化合物则通过氨化菌的作用水解转化成NH3和相应的有机物；氨氧化也称为硝化作用，是自氧菌在充足供氧的条件下通过好氧氧化，将NH3转化为NO3－；除磷、脱氮，对于除磷先是聚磷菌在缺氧（厌氧）条件下将有机碳链上的磷元素断链分解而将磷酸盐释放出来；而在好氧段聚磷菌则成倍地、大量吸收磷酸盐形成沉淀与污泥一起沉降而分离；脱氮是将NH3硝化得到的NO3－再送回至缺氧（厌氧）段，通过异养菌的代谢作用，将NO3－转化为分子态氮，使污水完成氮的循环达到无害化。
当生活污水，工业污水或其它含N、P高的废水通过厌氧——缺氧——好氧——沉降分离三级深度处理后，污水中的有机物、氨氮、磷酸盐、硝酸盐等富营养化物质都绝大部分被除去时，达到三级处理排放标准。这类水实际已可实现循回使用，废水资源化，达到控制赤潮的最佳效果。
②化学灭藻
对范围较小的水体，在形成赤潮的初始阶段，可采用投入硫酸铜、漂白粉或液氯等药剂，以杀死藻类。硫酸铜的效果好，投加～
③生物杀藻
培养繁殖能吞噬藻类的噬藻菌，这种噬藻菌体自成一食物链，是一种“以菌治菌”的新方法，但目前尚处于试验阶段。据介绍这种方法发展前景广泛，因为已有研究者发现能吞噬藻类的噬菌体。技术关键是培养繁殖噬藻菌的条件以及推广应用环节中的决策、资金与管理问题。
④机械搅拌等物理法
对富营养化形成赤潮的海域，在赤潮形成的初始阶段，采用强力机械搅拌和高压空气喷射，使水体受强烈的剪切作用因水流紊乱而死亡，这对于来势汹汹的赤潮控制和减缓灾害起到一定的作用。如果与化学法相结合能起到较好控制赤潮的效果。
以上四种方法，其中以第一种方法才是最基本方式，废水的除磷、脱氮达到无害化处理实现废水资源化，是废水处理最终目标。
4）海洋生态环境保护的国际行动
因为海洋大部分为公海，而且各大洋是相连系在一起的，海岸线则联系世界大多数国家和地区，因此防止海洋污染保护海洋生态环境的行动应是国际性的。
20世纪的中期，从1954年关于《防止海洋石油污染的国际公约》开始，到目前国际间各国缔约的有关保护海洋生态的公约共有16项。但到迄今为止，真正覆行仍非常困难，像《联合国海洋法公约》洋洋15×104字，长达125页，内容是非常详尽。但近年来海上巨型油轮事故，成千上万吨原油倾倒入海洋的事件频频发生。十年内两次海湾战争上万吨原油流入海湾扩展到波斯湾，浮游生物、海洋生物生灵涂炭使人触目惊心，惨不忍睹，但肇事国也无有特别措施，国际组织亦少有干预。所以，海洋生态环境保护确实令人十分担忧！海洋大片原油污染事件就连国际法庭也只能躲在幕后而望油兴叹！
但即使如此，国际公约还是目前保护海洋生态环境的唯一出路，所以环境保护国际法则的执行还有待各国政府首脑的环境意识的建立和世界人民的觉醒。由各国缔约签署的海洋公约主要有：
合国海洋公约（）
该公约定义“海洋污染”是人类直接或间接地把危害生物资源和海洋生物、危害人体健康，阻碍海洋活动（包括渔业及其它合法的海洋利用），对海水的利用造成水质恶化及降低舒适感等有害后果或带威胁的物质及能源带入海洋环境（包括河口）的事件。
公约规定“每个国家都有保护和保全海洋的义务”外，共制定了46条法规限制来自陆地的污染、来自海底造成的污染、因抛弃造成的污染、船舶的污染和经由大气污染而转移到海洋的污染而要求各国制定相应的法规等。
②船舶和飞机倾废造成海洋污染公约（）
为了防止船舶和飞机排放油和有害物质污染海洋，要求限制在陆上产生的废物从船舶、飞机近海平台的投海处置，限制废弃物在海上焚烧。除正文中的一般规定之外，在每附件中还对各种限制对象和内容做出规定：如防止油污染、防止散装有害液体物质污染、防止虽有包装还具有害物质污染、防止船舶水污染、以及防止船舶、飞机废弃物污染等。
③防止倾倒废物和其它物质污染海洋的公约（）
各缔约国应个别和集体地促进对海洋环境污染的一切来源的有效控制，并特别保证采取一切切实可行的步骤，防止因倾倒废物及其它物质污染海洋。
④关于油污损害的民事责任的国际公约（）
各缔约国“认识到全世界海上运输散装油引起污染的危险”。“深信有必要保证对从船上逸出油或排油导致污染而受到损害的人提供充分的赔偿”。
⑤UNEP海洋计划
为谋求封闭性高的国际海域及其沿海等的环境保护，联合国环境规划署（UNEP）促进有关国家采取共同计划。现已有11个海域制定了地区海洋计划。
除以上五项有关保护海洋的国际公约之外，还有《公海公约》、《对公海上发生油污染事故进行干涉的国际公约》、《大陆架公约》、《捕鱼与养护公海生物资源公约》、《国际防止船舶造成污染公约》、《设立国际油污损害赔偿基金公约》、《防止陆地来源造成污染公约》等10多项国际公约。公约数量很多，但约束力其权威性很差，所以海洋生态环境保护仍令人担忧。
第七章 生命与智慧生物的起源与演化
生命起源与进化
生命是一个漫长过程的物理和生物化学现象。现代地球上的一切生命是在特定环境下相互作用的产物，生命在一定环境下诞生，又不断改变环境并不断适应环境。到目前为止，生命的起源仍是不很明瞭，最原始生命来自何方，有地球上诞生演化说和外来降生（指从宇宙空间降落到地球上的基因）说两种，但不管是地球自身演化说还是外来说，生命的诞生和演化都离不开地球的环境。
大爆炸学说认为宇宙起源于150亿～180亿年前，太阳系在50亿年前形成，而地球的年龄已有46亿年了。地球形成初期是炽热状态，经过约5亿年的冷却凝固，原始水圈和大气圈逐渐形成。地球上的生命是经过化学进化和生物进化演变成今天地球生命的乐园。
化学进化
生命起源是通过一系列化学变化途径产生的，早期的地球含有碳、氢、氧、氮等元素和原始大气，由于自然的原因，通过化学作用，产生出多种有机物分子，这种化学进化可分为四个阶段。
（1）生成有机小分子物质阶段 大约在38亿年之前分散在地球表面的无机元素，在太阳光照作用下形成氨、水、二氧化碳等，再经过若干亿年，逐渐形成地球上的圈层。从地核中喷发到地表的碳化物与水蒸气相作用形成碳氢化物，如甲烷、乙烷等小分子有机物，与水分子、氨分子结合生成氰化物（HCN）等组成还原性大气。在缺氧条件下，太阳紫外线直接辐射到地球表面，在强紫外线、宇宙线或闪电的作用下，使这些无机分子的化学健断健，原子间重新组合形成一系列有机化合物，包括氨基酸、核苷酸等物质，这些有机物就是生成蛋白质诞生生命的基础物质。这一理论在1953年被Stanley Miller（米勒）和Harold Vrey（尤里）在实验室实验所证实。实验是让电火花（模拟太阳紫外辐射）穿过被认为是原始大气中的各种混合气体（氨、甲烷、氢等），结果合成包括氨基酸的水溶性有机物。随后，在1959年Sidney Fox通过氨基酸合成了类蛋白球（Proteinoid microspheres），这就更加印证了生命起源是地球早期一系列化学反应的结果。
液态水的出现是地球演化史的重大转折。水的出现通过太阳的驱动产生风、霜、雨、雪和雷电，使形成的有机物进一步活化，再经过雨水的作用，经由湖泊、河流汇入到原始海洋中，经过长时间的积聚，海水便成为富含有机质的溶液，为生命起源奠定基础。
（2）形成有机高分子阶段 在原始海洋中，氨基酸、核苷酸等有机小分子物质，经过长期积累，之间又不断发生化学反应，通过缩合或聚合作用形成了原始的蛋白质分子和核酸分子。有学者把构成蛋白质的20种氨基酸加以不同的组合，模拟火山熔岩等干燥高温（100～200℃）的的条件下，这些氨基酸就自动地聚合形成大分子氨基酸的多聚体——“类蛋白质”，表现出蛋白质的性质，其中有一些还是有类似酶的活性，甚至在保藏5～10年后在水中仍能形成“类蛋白微球”的性质。这就给人类研究生命的起源提供了一些线索，即在原始地球条件下，产生这些有机高分子是可能的。
（3）生成多分子体系阶段 氨基酸、核酸、蛋白质等高分子聚合物在海洋里的积累、吸附、聚集、键合进一步形成多分子体系，一种以蛋白质和核酸为主要成分的小颗粒，漂浮在海面。这种蛋白质小颗粒表面又逐渐形成界膜，构成独立体系并与外界环境进行物质和能量交换，为孕育生命创造了条件。
（4）原始生命诞生阶段 这是最具有决定意义的阶段，它直接牵涉到原始生命发生的飞跃过程。多分子体系形成的蛋白质颗粒经过长时间的不断演变，它们的结构和功能也在不断地发展，终于在蛋白质颗粒内部形成把同化合成和异化分解作用于统一体，并具有新陈代谢作用和能够进行自我繁衍的原始生命——最早的生命形式其实是微生物，逐渐演化出现的细菌和藻类。开始了一种新的生命过程——光合作用形成更高一级的蛋白质和制造氧气。
经过大约4亿年的积累，到距今约16亿年前，一个富含氧的大气圈形成。性质极其活泼的氧气（O2）对大气圈进行了一场革命，导致了还原性的原始大气逐渐向含有二氧化碳，水和臭氧的氧化性大气的转化。这一过程不仅进一步改变了大气圈的组成，而且臭氧在高空的积累逐渐形成了保护地球生命的高空臭氧层，为更高等的海洋生物进化和生命从海上登陆创造了条件。此后生命也就由化学进化转入生物进化阶段。
生物进化阶段建库网-免费建筑资料下载网站
海洋原始生命出现之后，生命的繁衍即进入到生物进化阶段。首先原始的有鞭毛的单细胞生物开始形成，这种被认为是动植物最早的共同祖先单细胞微生物，在海洋中能进行异养生活，即利用海洋中的有机物作为营养（提供碳源），同时体内含有光合色素又能进行自养生活即利用无机碳，如二氧化碳、碳酸盐等为营养。后来由于生物进化的某种环境机遇，单细胞生物按两个不同方向分化。一个方向是向自养功能加强和运动功能退化的方向，进化为单细胞绿藻，其光化合作用不断加强，发展为植物界；另一个方向是向运动功能和异养功能增强，自养功能退化的方向，进化为单细胞的原生动物，逐渐发展为动物界。
海洋中最早出现的绿色植物是单细胞绿藻，这种单细胞微生物的发育过程导致细胞分裂，即进行无性分裂繁殖，进而发展为多细胞个体。生命一旦发生即表现出其生命力，多细胞个体不断进行繁衍遗传变异逐步分化成不同结构和功能的细胞组织和器官。多细胞绿藻中的丝状藻可能是高级植物的祖先。它一个方向进化到苔藓植物；另一方向进化到蕨类植物，适应地面生活，再进化到裸子植物、被子植物。
单细胞的原始鞭毛虫可能是动物的祖先。由原始鞭毛虫进化到原生动物、再演化为多细胞动物，进而分化出海绵动物和腔肠动物。腔肠动物进一步演化为原口动物和后口动物。原口动物包括扁形动物、线形动物、环节动物、软体动物和节肢动物。后口动物包括棘皮动物、脊索动物。由脊索动物发展为脊椎动物。脊椎动物的出现是动物进化的大飞跃，其组织器官更完备，特别是枢神经系统发达，已分出大脑和脊髓。原始脊椎动物进化为鱼类和两栖类。由两栖类再演变为爬行动物，继续演变分化出鸟类和哺乳类。哺乳类经过长时间的进化，出现一个分支——灵长类，再分化演变发展为智慧生物——人类。生物进化是一个非常漫长而复杂的过程，至今仍不能在实验条件下得到验证，有些只是模拟，有些是从地质年代的各种不同化石中进行推测，并从中推出生物进化的时间表。大约在12亿年前出现最早的真核细胞、5亿年前出现海洋无脊椎动物，亿年前，一种称为顶囊蕨的植物开始登陆。哺乳动物的出现大约在2亿年前。而智慧人类从动物中的分化出来的进化历程大约经历200～300万年。
生物的出现将大气圈中大量CO2转移到岩石圈中，形成了大量的碳酸岩层，促成了CO2在海洋与陆地上的平衡，不仅改变了岩石圈的组成，而且生物与岩石的风化物和相互作用，在地表形成了土壤。可见土壤圈的形成是与生物圈息息相关，相互促进的。
生物在漫长的进化演变过程中，也使得地球的环境与之相应的发生深刻的变化。地球与其它行星不同所表现出的独特性在于它是一个靠生命来捕获、转移和储存太阳辐射的能量，靠生命活动来驱动地球表层的物质元素循环，靠生命过程调控地球上的物质循环，能量循环和信息循环并保持其远离天体物理学平衡的开放系统。从地球各圈层发育的过程中，我们看到了生物的能动作用。可以毫不夸张地说，正是地球上的生物多样性，才保持了地球今天的生态系统。所以，爱护和保护地球生物圈，就是爱护和保护地球的现在和未来。
生命的本质
整个宇宙是由两大物质组成：一类是非生命物质；另一类是有生命物质。
地球上大约有5000多万种生物组成了生机勃勃包括高智慧生物——人类在内的生命大千世界，可分为六界：病毒界、原核生物界、真核原生生物界、真菌界、动物界和植物界。其中动植物界有300多万种，目前已经过鉴定的生物有170多万种，其中哺乳动物4200种，鸟类8700种，爬行动物5100种，鱼类2100种，维管植物25万种。目前濒临灭绝的有370种。科学家预测地球上平均每天有1种物种消失。
生命的本质是研究分子生物学的范畴，生命的延续是由遗传因子——遗传基因DNA分子所携带的遗传信息密码子发出指令合成亲代新生蛋白质的自我复制。
遗传和变异是一切生物的本质属性，生物将其生长发育所需要的营养类型和环境条件，以及对这些营养和外界环境条件产生一定反应或表现的性状如形态、生理生化特性等传给后代，并相对稳定地一代一代传下去，这就是生物的遗传性。
遗传有两面性，即遗传性和变异性。遗传性是相对的，变异性是相对的，遗传中有变异，变异中有遗传，从而使生物不断进化。
在已鉴定的170多万种生物的分类：
非细胞结构生物：
（非核）－－病毒界
遗传和变异的物质基础－－ＤＮＡ
亲代生物如何将遗传性状传给子代？从分子遗传学角度看，是亲代通过脱氧核糖核酸DNA将决定各种遗传性状的遗传信息传给子代，子代有了一定结构的DNA生物便产生一定形态的蛋白质，由一定结构的蛋白质，就可决定子代具有一定形态的结构和生理生化性质的遗传性状。DNA是遗传的物质基础，是从实验中发现的。
（1）ＤＮＡ的结构
DNA是脱氧核糖核酸英文名称（deoxyribonucleic acid）的缩写。其化学学成分是一种高分子化合物，它的基本结构单位是核苷酸。核苷酸是由含氮碱基、脱氧核糖（S）和磷酸片断（P）组成。含氮碱基有四种，它们是腺嘌呤A，鸟嘌呤G、胞嘧啶C、胸腺嘧啶T。
DNA含有细胞进行生命活动所需的全部信息，这种信息被安排在许许多多称作基因（gene）的单位中，基因控制着生物的辩认特征。DNA携带着决定蛋白质结构和性质的遗传信息，因此，DNA可被看作生命发育过程中按密码发出指令合成蛋白质的指挥中枢，所以它的结构是非常严密，并具有如下特点：
① DNA分子是由两条头尾方向相反的核苷酸长链，沿着同一垂直的轴盘旋而成，形象地说像一架扭成麻花样的梯子（参见图7—1）
表 遗传密码表
第一位碱 基
第二位碱基
第三位碱 基
U
C
A
G
U
苯丙氨酸
亮氨酸
亮氨酸
丝氨酸
丝氨酸
丝氨酸
酷氨酸
“句点”
“句点”
半胱氨酸
“句点”
色氨酸
U,C
A
G
C
亮氨酸
亮氨酸
脯氨酸
脯氨酸
组氨酸
谷氨酰胺
精氨酸
精氨酸
U,C
A,G
A
异亮氨酸
异亮氨酸
甲硫氨酸
苏氨酸
苏氨酸
苏氨酸
天门冬酰胺
赖氨酸
赖氨酸
丝氨酸
精氨酸
精氨酸
U,C
A
G
G
缬氨酸
缬氨酸
丙氨酸
丙氨酸
天门冬氨酸
谷氨酸
甘氨酸
甘氨酸
U,C
A,G
② DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在双螺旋结构的外侧，构成基本骨架，碱基排列在内侧。
③ 两条螺旋链上的碱基通过氢键连接起来（碱基只与脱氧核糖相连，不与磷酸结合），一条链上的碱基总是与另一条链上的碱基相配对而存在，具体地说，A必须与T固定配对，C总是与G固定配对，这种对应关系称为碱基互补配对原则，因此核苷酸的分子链为：
...A-A-C-C-G-G-A-T-...
∶∶∶∶∶∶∶∶
...T-T-G-G-C-C-T-A-...
在DNA分子中，嘌呤的总数总是等于嘧啶的总数，且腺嘌呤的总数总是等于胸腺嘧啶的总数，鸟嘌呤的总数总是等于胞嘧啶的总数。即A+G=T+C，A=T，G=C。
从DNA的分子结构中可以明显看出：两条长链上的脱氧核糖与磷酸交替排列的顺序是固定不变的，而长链中碱基对的排列组合，方式千变万化，这就造成各个生物体的千姿百态。
（２）ＤＮＡ的存在形式
真核生物包括人类高等动物、植物、真菌、藻类及原生动物的ＤＮＡ和蛋白质组成染色体，细胞内所有染色体由核膜包裹成一个细胞核。
人体共有23对染色体，其中x,y染色体决定了人的性别，男性具有x和y染色体，而女性具有两条x染色体。染色体存在于细胞核中，呈短棒状。
（３）基因－－遗传因子
基因是一切生物体内储存遗传信息，具有自我复制能力的遗传功能单位，它是ＤＮＡ分子上一个具有特定碱基顺序，即核苷酸顺序的片断，按功能可分为三种：
a、结构基因－－控制蛋白质或酶的合成
b、操纵基因－－操纵三个结构基因的表达
c、调节基因－－它是控制结构基因的调合器
基因控制遗传，并直接控制酶的合成，控制一个生化步骤，控制新陈代谢，从而决定遗传性状的表现。
（4）DNA的复制
DNA的复制和遗传信息传递的基本原则，称为分子遗传学的中心法则，是20世纪最伟大的科学发现之一。DNA分子的自我复制是指以亲代DNA分子为模板合成子代DNA分子的过程。首先，DNA分子利用细胞提供的能量，在解旋酶的生物催化作用下，两条多核苷酸链之间的氢键断裂彼此分开成两条单链，然后各自以原有的多核苷酸链为模板，根据碱基配对原则，用细胞中游离的核苷酸来配对，形成两条与各自母链互补配对的子链。新合成的子链不断延伸，同时每条子链与各自对应的母链相互盘绕成双螺旋结构，形成一个新的DNA分子。因此，原来的一个NNA分子就变成两个完全相似的DNA分子。
从复制过程可看出，DNA分子双螺旋的独特结构为自我复制提供了精确的模板，而碱基互补配对原则保证了复制能够准确无误地完成生命遗传过程。
（5）RNA的功能
RNA是核糖核酸的英文（ribonucleic acid）缩写。它的组成与结构与DNA基本相似，也是遗传物质，但发指令合成蛋白质的是DNA，RNA起转录传递遗传信息的中间作用。RNA分子由磷酸（P）、核糖（S）和含氮碱基组成，与DNA不同，它的成分中含有核糖而不含脱氧核糖，它的碱基是A、U、C、G，而不是A、T、G、C。即RNA中以U（尿嘧啶）代替了DNA中的T（胸腺嘧啶）。
储存在DNA中的信息是通过转录，使信息转移到RNA上，这类RNA称为信使RNA，表示为mRNA。mRNA含有来自DNA的编码蛋白质全部氨基酸顺序的遗传信息；DNA作为携带遗传信息的基因，但DNA上的信息并不全都用于发指令编码蛋白质，而是将信息的一部分给了转移RNA（tRNA），tRNA 在蛋白质合成中起转运氨基酸的作用；还有一部分给了核糖体RNA（rRNA），rRNA是将氨基酸合成（装配）成蛋白质多肽链的场所。
生命过程是靠DNA和RNA的紧密配合来完成的，两者缺一不可。DNA与RNA在生命历程中有严格的分工：DNA的基本功能是：①通过复制，在生物传宗接代的过程中传递遗传信息；②在后代的个体发育过程中，能使遗传信息得以表达，从而使后代表现出与亲代相似的性状；③基因对生物性状的决定作用是通过DNA控制蛋白质的合成来实现。然而，因为DNA主要存在于细胞核中，并在其中进行复制，而蛋白质的合成是在细胞质中进行的，所以，遗传信息不能直接由DNA传递。能把遗传信息从细胞核中传递到细胞质中去的是另一种生物大分子，这就是核糖核酸——RNA。
（6）生命语言的“转录”和“翻译”
基因控制蛋白质合成的过程，包括“转录”和“翻译”两个重要步骤。通过配对，DNA把遗传信息传递给信使RNA（mRNA）的过程称为“转录”。转录是在细胞核内进行的。其过程是以DNA的一条链为模板，按照碱基互补配对原则合成RNA。由于RNA分子内没有碱基T（胸腺嘧啶），而有碱基U（尿嘧啶），因此在合成RNA时，是以U代替T与A配对，转录的方式表示为：
DNA… －A－T－G－C－……
∶∶∶∶
RNA… －U－A－C－G－……
可见，通过转录，DNA的遗传信息就传递到RNA上，这种RNA就是前面提到的称为信使RNA（mRNA）。
翻译是在细胞质中进行的，其过程是以信使RNA为模板，合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质。信使RNA形成以后，就从细胞核中出来进入细胞质，与核糖体结合起来。核糖体是细胞内将氨基酸合成蛋白质的场所。但是氨基酸是怎样被送到核糖体中信使RNA上去的呢！这就需要运载工具，这种运载工具就是转移RNA（tRNA）。每种转移tRNA的一端是携带氨基酸的部位，一种转移tRNA只能转运一种特定的氨基酸。当转移tRNA运载着氨基酸进入核糖体以后，就以信使mRNA为模板，把氨基酸一个个连接起来，合成为具有一定氨基酸顺序的蛋白质。
“翻译”和“转录”都是借用录音机词汇作为生命的语言。如果说将信使mRNA分子比作一条磁带，则核糖体就好比是录音机的磁头，所演奏出的音乐就是根据DNA所传递的信息所生成的蛋白质。蛋白质不仅具有一定氨基酸排列顺序的多肽链，而且必须按一定方式卷曲、折叠，形成特定的空间结构，才能表现出其特定的功能。DNA与RNA紧密配合复制、合成一级蛋白质结构的肽链，只是完成了遗传密码翻译过程的一半，另一半则由多种氨基酸按顺序排列所确定的蛋白质三级结构来完成译码的全过程。
分子遗传学的中心法则，可简单归结为：亲代DNA自我复制形成子代DNA于新细胞核中，DNA发出指令将遗传信息传递给信使mRNA，再以信使mRNA为模板，以转移tRNA为运载工具输送到细胞质中，使氨基酸在核糖中按照一定的顺序排列起来。合成了与亲一代相同的蛋白质，从而显示出与亲代一样的性状，这样DNA上的遗传信息就完成了新生命的历程。
后来的研究发现，某些病毒的RNA也可以自我复制，并且还发现在蛋白质的合成过程中，不单是由DNA决定RNA，RNA同样可以反过来决定DNA。例如在1970年发现某些致癌病毒中有一种酶，叫反转录酶，在这种酶的作用下，能够以RNA为模板合成DNA。这些发现是对“中心法则”的一个重要补充。
（7）生命蛋白质合成的遗传密码
信使mRNA决定一种氨基酸的三个相邻的碱基称为“密码子”。遗传密码是大自然最伟大的创造之一，在密码中蕴藏着“生命机器”工作的重要原理，包含了生命形成和进化的丰富信息。
科学研究发现并为实验证实，蛋白质是由比较普遍存在的20种氨基酸按照一定的顺序连接起来的。按“中心法则”DNA决定mRNA的性质是遵循着碱基互补配对原则，而RNA只有四种核苷酸（A、G、C、U），这就产生了四种核苷酸如何决定20种氨基酸的问题。如果一个碱基决定一种氨基酸，则四种碱基只能决定四种氨基酸。如果两个碱基决定二种氨基酸，按数学的排列组合，则最多只能决定16种氨基酸，即16种组合（42=16）。按此推算，如果每三个碱基决定一种氨基酸，则碱基的组合有64种（43=64）。相对20种氨基酸，这种组合是足够了。这一推测在上世纪60年代已被实验所证实。同时科学家们还弄清了是哪三个碱基决定哪种氨基酸。如UAU决定酪氨酸、CAU决定组氨酸、CAA决定谷酰氨酸等。1966年科学家已破译了全部密码子，这64种可能的组合中，有61种可用于编码各种特异的氨基酸，另外三种核苷酸组合（UAA、UAG、UGA）并不参与编码氨基酸，而是作为编码终止信号，指令肽链合成的终止。
表
UUU
苯丙氨酸
UCU
丝氨酸
UAU
酷氨酸
UGU
半胱氨酸
UUC
苯丙氨酸
UCC
丝氨酸
UAC
酷氨酸
UGC
半胱氨酸
UUA
亮氨酸
UCA
丝氨酸
UAA
终止信号
UGA
终止信号
UUG
亮氨酸
UCG
丝氨酸
UAG
终止信号
UGG
色氨酸
CUU
亮氨酸
CCU
脯氨酸
CAU
组氨酸
CGU
精氨酸
CUC
亮氨酸
CCC
脯氨酸
CAC
组氨酸
CGC
精氨酸
CUA
亮氨酸
CCA
脯氨酸
CAA
谷氨酰胺
CGA
精氨酸
CUG
亮氨酸
CCG
脯氨酸
CAG
谷氨酰胺
CGG
精氨酸
AUU
异亮氨酸
ACU
苏氨酸
AAU
天门冬酰胺
AGU
丝氨酸
AUC
异亮氨酸
ACC
苏氨酸
AAC
天门冬酰胺
AGC
丝氨酸
AUA
异亮氨酸
ACA
苏氨酸
AAA
赖氨酸
AGA
精氨酸
*AUG
蛋氨酸
ACG
苏氨酸
AAG
赖氨酸
AGG
精氨酸
GUU
缬氨酸
GCU
丙氨酸
GAU
天门冬氨酸
GGU
甘氨酸
GUC
缬氨酸
GCC
丙氨酸
GAC
天门冬氨酸
GGC
甘氨酸
GUA
缬氨酸
GCA
丙氨酸
GAA
谷氨酸
GGA
甘氨酸
*GUG
缬氨酸
GCG
丙氨酸
GAG
谷氨酸
GGG
甘氨酸
生物的遗传的变异
生物群体中会出现个别形态或生理方面有所不同的个体,而且所改变的个体也有遗传性。这是由于某些原因引起碱基的缺失、置换或插入，改变了基因内部原有的碱基排列顺序引起形态或性状的改变。
基因突变(gene mutation)－－变异的实质
由于外界环境因素引起生物ＤＮＡ链上Ａ－Ｔ碱基配对发生错位，结果接上Ｇ，成了Ｇ－Ｔ，改变了基因内部原有的碱基排列顺序，从而引起其后代表现型的遗传性状改变，称为基因突变。
突变的类型
（1）自发突变－－自然条件引发的基因突变。
这种突变率较低，对微生物来说，通常每106～109个细菌细胞分裂一次时，可发生一次突变。
（2）诱发突变
a 物理诱变 x-射线 α、β、γ射线，紫外线，激光，快速中子等物理因素引起的突变。
b 化学诱变－－化学物质引起的突变。
这种由于物理或化学因素引发的突变，也称为诱变（induction）。
（3）复合处理及协同效应诱发突变
a 两种或多种诱变剂先后使用。
b 同一种诱变剂重复使用。
c 两种或多种诱变剂同时使用。
（4）定向培育
用人工方法选定某一特定环境长期对某一生物进行培育，同时不断将它们进行移种传代，以达到积累和选择合适的自发突变的一种育种方法。
基因重组（gene recombination）
两个不同性状的个体细胞的ＤＮＡ融合，使基因重新组合，从而发生遗传变异产生新品种，这过程称为基因重组。
①杂交（hybridize）－－在生物中通过有性繁殖，将含有不同基因结构DNA的双亲细胞的融合，这个双亲必须是不同种的，使整套染色体的基因重组。
②转化（transformation）－－受体细胞直接吸收来自供体细胞的DNA，并把它整合到自己的基因组里，从而获得了供体细胞部分遗传性状的现象。
③转导（transduction）－－通过某种生物的媒介作用把供体细胞内特定的基因DNA片断携带至受体细胞中，使后者获得前者部分遗传性状的现象。
④接合（conjugation）－－两个完整的细胞直接接触，由供体传递大段DNA遗传信息的过程。
基因工程（gene engineering）
又称基因水平上的遗传工程。用人工方法把所需要的一供体生物的遗传DNA大分子提取出来，在离体的条件下进行切割后，把它和载体的DNA分子连接起来，然后导入一受体细胞中，以使外来的遗传信息在其中进行复制和表达，从而获得新品种。实际上是离体的分子水平上的基因重组，又叫基因剪接或核酸体外重组，是既可近缘杂交又可远缘杂交的新育种技术。
基因工程是在生物大分子水平上于生物体外用人工方法进行DNA重组，改变生物性状，创造生物新品种或新物种的一门新科学，它的发展是现代科学技术新成果综合应用的结晶。
1968年一种称为限制性核酸内切酶的发现和对基因载体的研究，对基因工程起着极为重要的作用。它的发现使人类有了能够识别DNA中一定碱基顺序排列位置进行工作的工具，使有目的地剪切DNA，分离所需基因，改建载体和实现体外重组的技术。
限制性内切酶是指可以专一识别DNA双链碱基序列，并在DNA链中把某一段切开，称之为“内切”。使某一类DNA分子被分解，另一类DNA分子因进行某种修饰而免于分解。由于这种酶有限制性切割方式，使基因剪接带有目的性和方向性。目的基因的扩增，需要一种能够在细胞中自主复制的载体，这种载体就是称为质粒的环状DNA分子和一类温和的噬菌体。建库网-免费建筑资料下载网站
1. 基因工程的主要操作
1) 基因分离——为了进行基因的人工重组和转移，以及研究基因结构功能和表达的调节规律，首先必须有相当数量的纯化的完整基因。基因的来源有三种途径：I生物提取法——即用物理、化学和生物学方法直接从供体细胞中分离提取所需目的的基因。II酶促合成法——主要是以mRNA为模板，用反转录酶合成相应的DNA。III化学合成法——以单核苷酶为原料经化学反应合成基因。
2）DNA的体外重组——根据需要在获得供体DNA和载体后，选用适宜的专一性强的限制性的内切酶对供体DNA和作为载体的质粒（比DNA小的环状DNA分子，在基因工程中可作为基因转移的运载工具——载体）进行剪切，使两者在切口部分都形成粘性末端，然后将它们放在试管中在5-6°的低温混和，使两者切面互补的片段通过氢键作用缝合。这时在外加DNA连接酶的作用下，供体DNA片段和质粒DNA片段被缝合起来，形成一个完整的具有复制能力的“新种质粒”。
3）将这连接有目的基因，即带有供体基因的“新种质粒”引入受体细胞中。
4）对重组分子进行选择，选择目的的基因发育良好重组载体。
5）目的基因的表达——目的基因需要表达成蛋白质，在适宜条件下“新种质粒”的基因在受体细胞中自我复制、转录、翻译成蛋白质，并维持稳定发育成新品种。
（2）基因工程的应用
基因工程是人类定向改造生物的新兴科学技术，它的应用不旦对遗传学的研究有着重大的理论意义，而且对工、农业、医疗卫生和环境保护等方面也发挥越来越大的作用。
在医药方面从1977年起就先后利用工程细菌生产人脑激素，人胰岛素。人的白血细胞干扰素。
在上世纪的最后几年，英国人的“克隆”羊多利获得成功，此后关于克隆技术进展很快，世界许多科学家先后克隆出许多动物。可以说基因工程开辟了人类研究生命的新纪元。
（3）基因工程的安全与防护
基因工程是一门定向改造生物的新兴科学技术，它的应用可以给人类带来巨大的效益，但由于它是采用DNA的体外重组技术，其危险性也不可忽视：1）致癌病毒DNA的扩散 2）抗药性质粒的传播 3）干扰和破坏正常细胞的功能、导致正常细胞控制失调和正常功能的破坏 4）基因工程构建的新功能“新品种质粒”一旦扩散到自然界，可能破坏自然生态平衡 5）转基因食品的危险 6）利用基因工程手段制造对人类安全健康威胁的生物武器（例如为消除石油污染而用基因工程增殖的新菌株，扩散到自然界侵害地下油田、油库、房屋顶沥青和路面） 7）从克隆羊到克隆人，破坏伦理、道德规范，扰乱社会安定，造成人类计划生育繁殖混乱等。
防护措施：1）技术上的对策2）管理上的对策3）制度、法令的对策 4）伦理道德上的对策 5）科学文明制约对策 6）国际合约 7）全球科研机构共同承诺责任 8）人类最高宣言等。建库网-免费建筑资料下载网站
PAGE
PAGE 1
