概述
成群結隊的動物在非洲大草原上自由徜徉，自由自在的魚群在珊瑚礁中追逐嬉戲，熙熙攘攘的企鵝群在南極冰川上擠成一團……今天地球上的生命是如此豐富多彩，令人驚嘆。然而，我們所看到的周圍這一切，僅僅是“生命”這部影片中的一幀，隻有當我們真切地了解地球上曾經發生過什麼，纔能真正理解這一瞥。這是一本講述從地球誕生至今所有生命形式的書。在“生命”這部電影的早期部分，包含了許許多多不同的線索。要追蹤這些線索，我們需要了解物理環境如何影響生命及其變化的過程（即演化），了解生命形式間的相互影響，以及生物是如何分類的。
大約45.5億年前，伴隨著太陽繫的誕生和地球的形成，這部電影拉開了序幕。直到39.9億年前，地球經歷了太空中眾多小行星的猛烈撞擊，但假如沒有這些衝擊，生命就不可能出現。在那之後1.5億年形成的岩石中，人們發現了最早的生命跡像。在地球被行星撞擊後的一段時期內，必定發生了很多特殊的化學反應，因此，有些人認為地球生命一定來自外太空。這種推測或許並不正確，但一些形成生命的必要化學成分很可能源於撞擊，這加速了生命的誕生。
然而生命的故事並非四平八穩，就像我們在看一個萬花筒，時不時搖晃一下，圖像中的一部分就會消失，其他一些則會保留， 還有一些會被改變，同時又有新的部分出現。對於地球生命這部電影來說，這些“搖晃”來自於物理環境的變化，例如與小行星的踫撞，或者是氣候變化，這些改變可能會導致海平面的下降或上升， 以及冰層的生長擴張和消融退縮。隨著構成地球地殼的構造板塊的不斷運動，地球地理發生了變化，而且這種變化至今仍在不斷發生
（北大西洋正以每年約1釐米的速度逐漸拓寬）。屬於熱帶氣候的地區會向南北兩極移動。比如南極，曾經全部被土地覆蓋，有時又全部被海洋包圍，這些地理變化對世界氣候產生了重大的影響。除地理變化之外，影響氣候的另一個重要因素是空氣中“溫室氣體”的含量，尤其是二氧化碳的含量。在地球歷史上曾經有一段時間，整個地球看起來就像一個“雪球”，就連赤道也結滿了冰。
生命的獨特之處在於它並不隻是事件的被動參與者，正是極富變化的生命本身，成就了生命的演化。自然選擇，是伴隨著生命個體的死亡和一代代的繁衍而發生的。在最早出現於“原始湯”中的有機體身上，自然選擇的過程就已經發生了，而這一過程如今依然存在，無論是獅子還是老鼠，橡樹還是水母，自然選擇從未停止過。“自然選擇”理論最早是由查爾斯·達爾文（Charles Darwin） 和阿爾弗雷德·華萊士（Alfred Wallace）於1858年提出的，他們的這一發現對生命的發展研究意義重大。達爾文和華萊士在各自豐富的旅行經歷中，觀察到了生物所具有的多樣性，並分別獨立地提出了“自然選擇”的概念。生物學家們正是這樣通過觀察和鋻定模式獲得靈感。
演化論的基本概念非常簡單。一些生物相比於那些在某些方面與它們不同（對生活環境適應性較差）的生物個體來說，會有更多的後代存活下來。然而，生物體的基本特征是由它們本身的基因， 即DNA的確切排列方式決定的，這一特點可能會導致意想不到的演化結果。一個生物個體在特定情況下死亡的可能性有多大，很可能取決於它的一些特質，在動物世界中，取決於它的行為方式，比如它是選擇轉身逃跑還是英勇戰鬥。實際上，如果堅持戰鬥，可能並不利於生物個體——它可能會在戰鬥中死亡——而是有利於其他采取避免戰鬥策略的個體。如果在避免戰鬥的個體中，至少有兩個與好戰個體具有相同的基因，則它們會有更高的概率將基因傳遞給下一代。而那些好戰的動物由於沒有通過逃跑的方式來保命，最終在爭鬥中死去。這正是在螞蟻和某些蚜蟲身上發生的事情，它們的親屬都是由幾乎一模一樣的基因組成，這也是牛津大學生物學家理查德·道金斯（Richard Dawkins）所提出的“自私的基因”概念的基礎。我們可以認為，演化是“自私的基因”的產物，每個基因都想在下一代中實現盡可能多的自我復制。有機體是基因的載體，即使攜帶這些基因的一些個體沒能存活下來，如這些螞蟻和蚜蟲的例子，但基因得到了傳遞。
螞蟻和蚜蟲有著不同尋常的遺傳機制。在除細菌之外的其他大多數生物中，每個個體都是獨特的，因此基因主要“關注”著攜帶它們的個體的生存。因此，一般來說，當一個個體具有一些比同類更有優勢的微小遺傳差異時，它將有更多的後代存活下來。並且在它的後代中，帶來這種生存優勢的基因將會在整個種群中傳播開來。當環境發生變化時，一些帶有生存優勢的稀有基因有時會得以保存並傳播開來。對抗生素或殺蟲劑產生耐藥性就是這樣的一個例子。突然之間，環境中出現了一種新的化學物質，殺死了某種群中的大部分個體，但由於種群基因組成的多樣性，總有一個或多個個體能夠存活下來並進行延續。這些個體的體內具有一種不同尋常的生物化學物質，可以幫助它們抵御這種新出現的化學物質帶來的傷害。當下一次人們再使用相同的化學藥品時，這些具有抗藥性的個體在種群中所占的比例會進一步變大。如果持續使用這種化學物質作為殺蟲方式，這個種群中的個體選擇過程就會繼續下去，直到整個種群都具有耐藥性，此時，種群中的所有個體都攜帶了這種提供特殊生化保護作用的基因。然而，在毒藥的作用下幸存，不太可能是影響某種特定基因組成的唯一原因；在正常情況下，這種特定基因很可能存在某種生存障礙，因此一旦停止施藥，種群中帶有抗藥基因的個體比例會再次下降，這就是為什麼不應連續使用相同的農藥和抗生素的原因——這種做法會導致種群產生耐藥性。
因此，演化可以被看作是不同基因包的選擇——通常是由攜帶特定基因的個體去適應不同的環境。如果個體之間沒有辦法相遇， 進而無法配對繁殖（準確來說是基因無法流動），那麼就會導致兩個新物種的誕生。地理屏障是最常見的隔離方式——山巒、峽谷（對於山地物種來說）、海洋或沙漠。即使生活地點大致相同，也會有小概率形成新的物種。在這種情況下，隔離的發生可能是由於交配季節的差異，或是由於不同的小生境限制而導致的。
一旦分離成為兩個物種，物種之間的基因交流就會停止，但是它們的DNA構成仍會繼續分異。過去幾十年的研究表明，DNA的細微結構或多或少會持續發生隨機變化。這些基因的變異大部分是中性的，也就是說，它們不會使個體對環境的適應能力變得更好或者更差，但是它們會在種群中傳播並保存下來，並有助於該物種遺傳指紋特征的形成。基因變異的累積速率被認為是恆定的、大致可知的，因此，不同物種之間的DNA差異將反映出它們自最後一次常規雜交以來的時間，即它們從同一個物種中分化出來的時間。不同物種間的基因差異越大，突變的隨機性就越大，物種的分異的時間也越長。這就是“分子鐘”的理論基礎。“分子鐘”理論可以用來測量兩個物種分異的時間（見第二章圖2.1），它展示了“生命”這部電影的長度。
有關動物、植物和微生物的研究在世界各地廣泛開展，來自不同地區的科學家們需要確保他們正在談論的是同一種生物。因此，每個物種都有一個獨特的學名，該名稱由兩部分組成，例如， 人類的學名為Homo sapiens，犬的學名為Canis familiaris，雛菊的學名為Bellis perennis。就像是顯微鏡或試管一樣，學名是進行科學研究的工具。它們總是用斜體印刷，其中第一個詞是屬的名稱， 同一個屬下會包括其他緊密聯繫的近緣種（例如尼安德特人Homo neanderthalensis），而且按慣例，屬名的首字母總是使用大寫字母；學名的第二個單詞是所描述物種的唯一名稱，通常全部以小寫字母表示。這種“雙名法”是由瑞典人卡爾·林奈（Carl Linnaeus） 於1758年引入的，並從此在全世界範圍內使用，這讓科學家們在進行信息交流時，能夠知道他們正在談論的是同一個物種——但前提是他們已經正確地鋻定了這個物種！當一個新物種被發現時，科學家們會對其進行正式描述，並以其新命名將這種描述發表在科學期刊上。這種情況如今在昆蟲類群中仍然經常出現，而鳥類新種已經很少被發現了。
家們對不同種類的生物進行了分類。最實用也是歷史最悠久的分類方法被稱為“生物繫統”。“生物繫統”將生
（）進行層級分組；相比於來自同一等級不同中的其他物種，同一中的生物被認為在演化史中擁有更為緊密的親緣關繫。生物繫統分類法使用了一繫列的等級（如界、門、綱、目、科、屬、種），我們可以使用這一廣泛使用的等級分類來對家蠅進行分類：
界——動物界（Animalia）
門——節肢動物門（Arthropoda）
綱——昆蟲綱（Insecta）
目——雙翅目（Diptera）
總科——家蠅總科（Muscoidea）
科——蠅科（Muscidae）
亞科——家蠅亞科（Muscinae）
屬——家蠅屬（Musca）
種——家蠅（domestica Linnaeus.）
家蠅學名的最後一個單詞是Linnaeus，表明該名稱最初是由林奈來描述的。如果人們不確定其描述的意思（假設發現了兩隻不同的家蠅，而且兩者都符合他的描述），則可以去查看他的原始標本， 即“模式標本”。由此可見博物館內的藏品對於維護這一國際綜合命名繫統的重要性。
這個命名繫統的缺點，是沒有一個真正客觀的方法來將一組物種劃分到一個特定的層級，例如一個科或一個亞科。所涉及的物種都具有某些共同的特征，研究這些物種類群的科學家會利用其特征來定義特定的層級。但是選擇使用怎樣的特征是主觀的。由於這一缺點的存在，德國昆蟲學家維利·亨尼希（Willi Hennig）於1950年提出了另一種分類形式，稱為“分支繫統學”（claclistcs）。分支繫統學的建立基於對衍生特征的時間順序的識別。具體來說，當在一個群體中演化出了新的特征時，所有具有該特征的物種就被稱為屬於同一個“演化枝”。在這個演化枝中，很可能還有另一個特征也完成了演化，而隻有少數物種來自於那一分支；這少數一些物種就形成了另外一個演化枝，嵌套在第一個演化枝中。因此，演化枝沒有特定的層級。分支繫統學對於如何選擇定義特征，有著復雜的規則以及更復雜的術語。對某一類群的分支繫統分析能告訴我們很多有關其演化的信息，但如果是出於描述的目的，舊的生物繫統更為實用。舉例來說，分支繫統學清晰地表明了鳥類是從一類爬行動物演化而來的，並且由於鳥類具有爬行動物的所有基本特征，因此嚴格來講，應將其描述為爬行動物演化枝的成員！因此在本書中，我采用了分支繫統學來對物種演化過程進行解釋，但是在描述生物類群時，采用的仍是生物繫統的理論。
