从宇宙大爆炸到21世纪，每次突破都是某种全新事物的诞生
恒星的诞生与衰亡
在宇宙最初的膨胀过程中，各种物质在空间中均匀地分布。但随着密度出现细微的差异，重力开始发挥作用，密度高的地区吸引越来越多的物质。通过这种方式，主要由氢和氦构成的气体云团逐渐形成。这些所谓的星云就是恒星诞生并逐渐形成的地方。
在星云内部，更加密集的区域可能会因为重力而自行崩解，这些区域最终可能会变得致密而炽热，足以产生核聚变—一种将氢转化为氦，并产生大量的热和光的反应。正是这个过程，使恒星—包括太阳—闪耀着如此强烈的光芒。
重力将稠密的气体聚集在一起形成恒星，同理它还可以聚集恒星形成星系。我们所处的银河系，包含了 1000 亿—4000 亿颗恒星，直径约为 10 万光年—这就意味着，光需要以每秒 30 万千米的速度，飞行 10 万年才能够穿越它。我们的太阳位于银河系的一个螺旋臂上，距离银河系的中心大约 3 万光年。
距太阳最近的恒星叫作比邻星，离我们有 4.24 光年。宇宙中至少有 1000 亿个星系，银河系只是其中之一。宇宙到底有多大，这是个尚无定论的问题，但就目前我们可以观测到的部分而言，其直径大约为 930 亿光年。
不同大小的恒星，其一生中经过的历程也不尽相同。那些体积类似太阳的恒星可以燃烧 100 亿年，其表面温度能达到 6000 摄氏度（核心的温度更高），直到它们耗尽所有的氢。
此后，其核心开始缩小，温度上升到 1 亿摄氏度，并开始进行氦聚变。在生命的末期，这颗恒星会先膨胀成为一颗红巨星，比它年轻时要大100倍，然后缩小成一颗白矮星，只有最初的 1/100。
恒星的体积越大，寿命就越短。例如，一颗相当于太阳10倍大小的恒星，仅仅 2000 万年后就会演化成红巨星。随着温度的升高，恒星开始合成密度越来越大的元素，温度上升到 7 亿摄氏度的时候，铁元素产生了。这个过程中会产生许多元素，不仅有铁，还有碳、氧和硅，这些元素就是构成地球这类行星的源头。
在这个时候，恒星会发生剧烈的爆炸，形成一个急速膨胀的由气体和灰尘构成的云团，被称为超新星。在它的中心是一个叫作中子星的东西，直径只有 10—20 千米，但密度惊人，1 立方厘米的物质就重达 2.5 亿吨。质量更大的恒星最终会演变成黑洞，这是一个密度极高的空间，甚至连光都无法逃脱它巨大的引力。很有可能在我们自己的星系中心就存在着超大质量的黑洞。
大约 46 亿年前，太阳系—太阳和它的各大行星—形成于一个星云，这是一个由尘埃和气体组成的旋转云团。随着尘埃越来越密集，更多的物质被引力吸引过来，最终形成了行星。至今，它们依然朝着同一个方向旋转。
木星是太阳系中最大的行星，地球的体积不到其 1/10，而木星的大小只有太阳的 1/10。地球距离太阳 1.496 亿千米，木星到太阳的距离是这一长度的 5 倍，而最外层的主要行星—海王星，则比地球远上30倍。
相对较小的内行星—水星、金星、地球和火星基本是由岩石构成的，而那些巨大的外行星—木星、土星、天王星和海王星，则主要是由环绕在一个小岩核周围的气体组成的。
行星太过寒冷，生命难以存活，不过在它们某些卫星的表面之下，或许也存在着液态水。
众所周知，地球是太阳系中唯一有生命存在的行星。我们相信，地球正位于恒星周围最适合生命存在的区域内，也就是“金发姑娘地带”。在《金发姑娘和三只熊》的故事中，她喝的粥既不太热也不太冷，坐的椅子既不太小也不太大，睡的床铺既不太硬也不太软。同样，地球距离太阳既不太近也不太远（因此既不太热也不太冷），水可以作为一种液体存在。它的体积大到足以产生一个强大的引力场，形成大气层，并产生足够的大气压强，把液态的水留存在其表面上。
我们是宇宙中唯一的生命吗？根据我们对银河系最近的详细观察，在那些类似太阳的恒星周围的宜居带中，有大约 110 亿颗地球大小的行星。科学家们认为，在它们之中，距离地球最近的只有 12 光年，也就是说，只需要 12 年时间，它就能接收到地球发射过去的无线电信号。当然，出现这些条件并不意味着一颗行星必然拥有生命—更不用说已经进化到足以给我们发送无线电信号的生命了。事实上，尽管遍布世界各地的射电望远镜已经监测了几十年的时间，但迄今为止仍没有发现任何外星生命的迹象。
不安分的地球
我们的星球并不是一个普通的球体，它更像一颗分层的洋葱。它的内芯由固态铁构成。外面是第一层外核，为熔化的铁；再外面是地幔，由熔化的岩石构成，也就是我们所说的岩浆。岩浆的顶部漂浮着一层由固体岩石构成的薄外壳，我们就生活在这层地壳的表面。虽然人类已经登上了月球，但还没有到过地表下 4 千米之外的区域。
地球还有一层气体的皮肤，那就是大气层，其中的 3/4 是氮气，1/5 是氧气，这对生命的形成是至关重要的。还有少量的其他气体，其中包括二氧化碳和甲烷—所谓的温室气体—它们对地球上的生命也产生了非常重要的影响（参见第 302 页），以及一些水蒸气，它也是大气系统中一个重要的组成部分。大气层随着高度的增加而愈加稀薄，最终逐渐消失在太空中。
正如大气中的气体飘忽不定一样，构成地壳的岩石板块也在不断运动。科学家们曾经认为，大陆和海洋的位置是固定的。然而在 1915 年，德国气象学家阿尔弗雷德·魏格纳认为，大陆并非是静止的，而是在一直漂移。他观察到，南美洲东海岸的岩层和化石与非洲西海岸的非常相似，而某些早已灭绝的植物不仅在上两个地点被找到，还被发现在马达加斯加、印度和澳大利亚。
多年来，越来越多的证据支持魏格纳的大陆漂移理论。很明显，这一过程对世界上不同的动植物种群的分布和繁衍产生了至关重要的影响。现在地质学家认为，在大约 3 亿年前，北方的劳亚古陆和南方的冈瓦纳大陆曾经聚集在一起，从而形成了一个更大的超大陆—盘古大陆。而在 2 亿—1.8 亿年前，盘古大陆再次分裂成为两块大陆，进而最终形成今天各个独立的大陆。
但直到 20 世纪 60 年代，科学家们才确定了大陆漂移发生的原理，并命名为板块构造论。地球的外壳是由漂浮在液体地幔之上的板块组成的，因此它们能够移动。
地表的成因
地球表面的多样性在生命的进化中起到了关键的作用。生物适应了各种各样的地质环境—海洋、海岸、河流、湖泊、丘陵、平原，甚至天空。海洋和山脉阻碍了人类的交通，而大江和大河又对农业和贸易具有促进作用，这些多样性都在影响着人类的历史。
地表的基本构成物质是岩石。虽然我们知道这种物质异常坚硬，且亘古不坏，但在亿万年的时间里，它同样会被破坏和重建。
其中涉及的一系列进程我们称之为岩石循环，它需要的能量部分由太阳提供，部分来自地壳下面的热能。
太阳的热量使水蒸发，并形成云，进而凝结成雨或者雪落回地面。水流侵蚀岩层，冰雪凝结成冰川，当冰川向下方滑动时，也会带动被侵蚀的岩层。河流将这些被侵蚀下来的物质带走，比如黏土和沙砾，一路带到海底，并沉积在那里。这些沉积物一层层地堆叠，最终被压缩成岩石，这就是沉积岩。还有一些埋藏得更深的沉积岩，在来自上方的极大压力和下方的极高温度共同作用下，久而久之，它们会变成另外一种不同的岩石类型—变质岩。比如说，石英岩就是一种变质砂岩。除了沉积岩和变质岩，还有第三种岩石，那就是火成岩。它们是由涌向地表的岩浆形成的。
当岩浆被困在地表之下，就会凝结成花岗岩。有时，岩浆也会找到一条通往地表的通道，比如火山口和地面裂缝，在凝固后就形成了玄武岩。地球的板块运动同样起到了一定的作用。一个板块被推到另一个板块的下面，它上面的岩石就会被地幔下的岩浆所熔化。当这两个板块彼此分离的时候，熔化的岩石又重新回到地表。
如果这样的运动发生在海洋中，就会形成巨大的大洋中脊。类似的火山喷发，同样会创造—以及破坏—山脉。山脉的形成也可以由板块运动导致，一个板块推动另一个板块，致使先前的水平沉积层折叠起来，从而形成高耸的山脉。喜马拉雅山脉就是由印度次大陆板块挤压和碰撞亚洲大陆板块而形成的，它仍在以每年约1厘米的速度不断长高。
类似的进程还会带来地貌的改变。河流和冰川冲刷出山谷，水流带来的沉积物会在入海口附近形成三角洲。洋流和波浪的冲刷可以侵蚀地表，并将其沉积在其他地方，从而改变海岸线的形状。这样的变化可能对人类造成重要的影响。比如，三角洲的形成会提供丰饶的土地，为农业带来便利，而那些靠海谋生的人则可能对不断后退的海岸线叫苦不迭。
什么是生命
所有的生物都会对刺激、取食、成长、繁殖、自我修复和死亡做出反应。可是，非生命体也会具有某些类似的特点—比如水晶可以通过“吃掉”水中溶解的盐分而长大；机器人也能够对刺激做出反应。那么，到底是什么将我们与非生命体区分开的呢？
答案就是细胞，我们已知的生命基本构成单位。单个的细胞是非常微小的—最小的直径只有 1 毫米的 1/1000000。但是细胞又是已知的最复杂的结构之一。有些细胞可以独立构成生物体，而其他的则在更加复杂的多细胞生物体中发挥着独特的作用。在人体内，可能有多达 37 万亿个细胞。
细胞有一种能力，可以从周围的环境中吸收广泛的养料，并在体内改变其化学性质，创造出更为复杂的化合物。正是这种能力，使它们能够通过一次又一次的分裂来修复损伤和再生。
对于细胞的结构和功能来说，四类化学物质是必不可少的。第一类是核酸（DNA 和 RNA），对遗传信息进行编码，并执行嵌入在该代码中的指令。第二类物质由蛋白质组成，部分用于构成组织，部分作为酶的催化剂，帮助促进细胞内的化学反应。
蛋白质是由更简单的组成要素—氨基酸构成的。第三类是碳水化合物，其中一些起到构成机体的作用，另一些则用于储存能量。最简单的碳水化合物是由植物在光合作用过程中产生的葡萄糖。几乎所有的动物都是从植物中获得它们所需要的碳水化合物。
最后一类是脂质，是细胞膜的关键组成部分。所有这些复杂的物质都是由一些相对简单的分子组成的，其中最常见的是水分子和碳原子。水为许多化学反应提供了氧和氢。
另外，活的细胞中大约 2/3 的组成部分是液态水，水还负责溶解和运输更复杂的化合物。碳原子能够将其他元素结合起来，创造出各种各样巨大的有机化合物，其中许多都溶于水。
生命从哪里来？
简单的微粒，比如水分子和碳原子，是怎样合成那些构成更高级别生命的化合物的呢？早期地球的大气中，包含了火山喷发过程中排放的气体，如水蒸气（H2O）、氮气（N2）、二氧化碳（CO2）和一氧化碳（CO）。当这些气体冷却后，氢和氮结合形成氨（NH3），而一氧化碳和二氧化碳会促生甲烷（CH4）。
在紫外线下（来自太阳的照射），氨和电火花（比如一道闪电），再加上甲烷、水和二氧化碳就可以合成简单的氨基酸，如果再遇上热量，这些分子就能够链接起来形成蛋白质。类似的反应可能会导致 DNA 组织结构的产生。
此外，一些证据表明，来自天外的陨石不仅存在着 DNA 组织，还可能会带来氨基酸。
当地球冷却时，大气中的水蒸气凝结形成了早期的海洋，许多不同的矿物质和气体被溶解在水中。很有可能，在大约 40 亿年前的这锅巨大的化学汤剂中，第一个能够自我复制的分子— 如DNA—已经出现了。
能量从哪里来
事实上，地球上所有生命赖以生存的能量，以及人类在现代工业社会中所使用的大部分能源，都来自太阳。
在自然界中，光合作用至关重要。通过一系列的化学反应，来自太阳的能量被用来将水和二氧化碳转化为葡萄糖—一种简单的碳水化合物，并为生物体提供能源。
那些可以以这种方式为自己制造食物的生物被称为初级生产者。在陆地上，大部分初级产品是由绿色植物产生的。而在海洋中，负责生产初级产品的生物体是浮游植物—微小的单细胞生物，比如水藻和硅藻。
这些以光合作用为生的生物位于食物链的最底层。初级生产者会被初级消费者—食草动物吃掉。初级消费者又成为次级消费者—食肉动物的食物。有时，即便是食肉动物，也会被更高级别的食肉动物吃掉—比如说，小鸟吃虫，而鹰则捕食小鸟。
根据物理定律，能量的转移总是伴随着损耗。因此在食物链中，由低到高每个层次的个体都会变得越来越少。食草动物吃掉的植物中只有 10% 左右的能量被有效地利用。其余的能量不是未能被消化，就是随着呼吸以热能的形式散发掉。
能量传递的最后阶段是食腐动物和分解者。诸如地虱和千足虫之类的食腐动物以粪便、死去的植物及动物尸体为食。而分解者—比如某些真菌和细菌—则完成了转换的最后一环，它们会摄取任何残留物质所包含的能量。
人类通过不同的方式将自己嵌入食物链。有些族群就像食草动物，他们收集种子、坚果和浆果，或是种植作物；还有的族群是食肉动物，他们靠捕猎为生，或者饲养牲畜，比如牛；但大多数族群，无论过去还是现在，往往是杂食动物，既吃动物也吃植物。虽然我们更愿意认为自己处于食物链的顶端，但在某些生态系统中，我们也会发现自己出现在那些更大的、更强壮的食肉动物的菜单当中。
在过去，除了食物之外，我们对能量的需求完全依赖于太阳。柴火是植物物质，而那些化石燃料—煤、石油和天然气，也都来自植物。现在，我们可以从水流、波浪和风中获取能量，这些同样来自太阳驱动的大气循环系统。潮汐的力量稍有不同，它更多地依靠月球的引力，只在很小的程度上与太阳有关。地热能利用的是地表深处的热量，而核能释放的能量则来自原子核的裂变。
生命可以没有太阳吗？
并非所有的地球生命都从太阳那里获取能量。一些能量来自地球外壳下面的熔岩层，通过火山口释放出来。在海底的某些区域，这些被称为深海热液喷口的地方涌出富含硫化氢的热水。这种气体对大多数生物体都是有毒的，却成为某些微生物的能量来源。这些微生物又成为蛤类、鲍鱼、虾类和巨型管虫的食物。
生命变得复杂
大约 40 亿年前，在远古海洋富含化学物质的环境中，生命可能已经开始得以发展。科学家们认为，其中的关键就是能够自我复制的复杂有机分子（如 DNA）的出现。在地球历史上的这一时期，大气中并没有臭氧层可以遮挡来自太阳的强烈紫外线辐射。当这些复杂的分子自我复制的时候，太阳光线的辐射可能造成频繁的突变。其中的某些变化会产生更加适应环境的分子结构。自然选择在这种情况下展露无遗。
例如，那些复制频率更高、结构更复杂的大分子往往具有一个优势，那就是它们可以将其他分子吸附过来，成为自己的保护层。实验表明，在模仿的活跃的火山活动环境中，通过冷水的快速降温，氨基酸可以在自身周围形成一个膜的结构。第一个细胞很有可能就是通过这样的方式产生的。
这些原始细胞都是结构简单的类细菌生物，我们称之为原核生物，它们的外层膜中包裹着原生质，那是一种凝胶似的物质，含有一系列大大小小的分子。DNA 位于原生质中的一个特定区域，但是并没有什么固定的组织结构。原核细胞可以通过分裂出两个新的细胞来完成复制。这些早期的微生物以远古海洋中丰富的有机分子为食。
大约在 34 亿年前，随着有机分子的大量产生，进化出一种新的原核微生物。这就是蓝藻，它们采用了一种全新的进食方式：光合作用。光合作用利用阳光中的能量将二氧化碳和水转化为葡萄糖（一种简单的糖），并产生氧气这一副产品。在此之前，氧气对生物是有毒的。也就是从那时起，氧气出现在大气中，各种各样的生命开始依赖它生存。
下一次大的飞跃是 18 亿年前，更大、更复杂的细胞出现了，它们被称作真核细胞。它们的体内存在一个包含 DNA 的中心结构—细胞核。此外，真核细胞还有一些具有特定功能的特殊结构，它们被称为细胞器。事实上，某些细胞器拥有自己的 DNA，而一些特定的细胞器和某些细菌具有相似之处。据此，美国生物学家琳恩·玛格丽丝在 20 世纪 60 年代末总结出了真核细胞与不同种类原核细胞之间的共生（互利）关系。这一理论现在被科学家们所普遍接受。
虽然我们及所有多细胞生物的细胞都属于真核细胞，但是最初的真核细胞却出现在单细胞微生物身上，它们具有许多与现存物种—比如原生动物（具备一定的动物特性）、黏菌（具有一些真菌的特点）和某些藻类（像植物一样可以进行光合作用）—很相似的特点。
也许，真核细胞带来的最显著的创新就是性行为的出现。在有性繁殖中，一部分遗传因素来自父亲，另一部分来自母亲，这就导致了更大的变化。而这种变化可以帮助生物适应不断变化的环境，并加快进化的步伐。
生命的繁衍
生命体的定义特征之一是它的繁殖能力。所有的物体，不管它是否具有生命，都终将腐朽。因此，繁殖为生命的延续提供了一种手段。这使得我们可以最大限度地接近不朽。
简单的单细胞生物通过细菌分裂实现繁衍：一个“母”细胞分裂成两个“子”细胞。这就是无性繁殖。除非出现突变，否则母细胞和子细胞是完全相同的。人体内的细胞也可以通过这种方式繁殖，使我们能够修复损伤，茁壮成长。
多细胞生物，不管是植物还是动物，同样可以无性繁殖，即所谓的“营养繁殖”。植物可以通过“父母”身上的某个部分，比如一小簇根须或是一段匍匐茎、一片叶子、一截树枝，生长出基因完全相同的一株新植物。某些无脊椎动物，如海葵、海绵和许多海洋蠕虫，也可以通过“萌芽”来进行无性繁殖，即父母身体的一小部分增长，然后分裂形成一个新的个体。
在有性繁殖中，来自两个不同细胞（父亲的精子和母亲的卵子）的遗传物质相结合，形成一个单一的全新细胞，它继承了双方基因的遗传特征。这种新的细胞再经过不断分裂，最终发展成为一个具有独特基因结构的新个体。
植物既可以无性繁殖，也可以有性繁殖。在开花植物中，雄性生殖细胞存在于花粉中，借助风或者动物—比如蜜蜂—从一朵花传播到另外一朵花上。一旦完成授粉，雌性生殖细胞就会受精，并生长成一颗种子，进而孕育出新的个体。近乎相同的过程发生在动物身上，只是受精的方式更加多样。例如，雌性鱼把卵产在水里，而雄性鱼则将精子产在卵上。在胎生哺乳动物中，雄性将它的阴茎插入雌性的阴道中，排出精液，精子自行游向雌性的卵子。由此产生的胚胎将在母亲的子宫内发育，直到出生。
不同的动物采取了不同的育儿策略。许多水生生物，比如鱼会产下大量的受精卵，然后就对后代的命运听之任之。在成年之前，大多数的幼体鱼都会被食肉动物吃掉，只有寥寥几个可以生存下来。与之相反的是，猿（包括人类）通常一次只能生出一到两个后代，父母会花费许多年的时间来养育自己的孩子，直至它们长大。
物种的起源
长久以来，地球生命进化的秘密被封禁在岩石当中。在《圣经》占据统治地位的几个世纪里，人们认为地球非常年轻，而且所有物种从一开始就是保持不变的。
到了18世纪晚期，苏格兰的地质学家詹姆斯·哈顿坚定地认为，只有经过数百万年的自然历程，比如炽热和侵蚀，才能够形成我们今天所见的地质景观。这个理论还导致了一个推论，即假如岩石真的如此古老的话，那么它们包裹着的化石也应该同样古老。
有些化石完全不同于我们今天已知的任何生物，另一些有些相似，但还是有所差异。到了 19 世纪早期，自然学家将他们的理论总结为一个循序渐进的过程，从最古老的化石中那些最简单的生命形式到近代那些更复杂的生命形式。这个过程可以被称为“进化”，但是没有人能解释为什么那些简单的生命形式，比如细菌和海绵，到今天仍然存在。他们也无法解释现存物种身上发生的巨大变化。如果真的有进化，它是如何进行的？
起初，它被认为是随机的，没有任何目的或方向。直到天才的查尔斯·达尔文证明了它的存在，并发现其中的关键要素：自然选择。19 世纪 30 年代，年轻的达尔文曾经作为随船学者乘坐皇家海军“贝格尔”号经历了漫长的旅程。在航行期间，他记录下了不同大陆上生物之间的相似性，比如南美洲鸵鸟和非洲鸵鸟。他还指出，加拉帕戈斯群岛上的地雀之所以具有不同样式的喙，是因为其食物来源的差异。由此可见，南美洲鸵鸟和非洲鸵鸟具有一个共同的祖先，而各种加拉帕戈斯地雀也一样。
达尔文知道自己的理论违背了基督教的正统观念。人类与其他动物没有什么区别。我们并非是依照上帝的形象被创造的，相反，我们与猿猴有着共同的祖先。于是达尔文只好等待时机，搜集证据，直到 1859 年才出版了他的《物种起源》。
达尔文认为，物种随着时间的推移不断进化。在某个时段，生物个体会随机出现某种特质，可以帮助它比同胞们更好地生存和繁殖。经过几代的繁衍，具备这种特质的个体们存活的概率远高于其他同类，于是，这样的特质就被一代代传了下来。物种一直在变化，并逐渐进化到能够更好地适应新的环境。这个过程被称为“优胜劣汰”。
多年以来，尽管达尔文理论的某些方面不断地被修改，但越来越多的证据— 包括物种间身体构造和胚胎发育中的相似性、退化器官的存在，例如人类的尾骨（那是我们祖先的尾巴），以及最重要的，那些可以使我们比较和探索人类与其他不同动物基因组异同的 DNA 证据—表明，自然选择是毋庸置疑的。这些也从遗传学的角度上解释了个体特征是如何产生、如何传递给下一代的，以及 DNA 在其中扮演的角色。