從魚變?nèi)朔謳撞?/h1>
2022-05-31 14:16:18劉森
風(fēng)流一代·經(jīng)典文摘 2022年8期
劉森
當(dāng)你打開書本，用手指翻動書頁，閱讀這篇文章的時候，或許不會想到，這幾個對我們來說再平常不過的動作，卻是源于3億年前一群不甘平凡的魚類，在淺灘中用胸鰭移動身體所作的無數(shù)次努力。
魚是怎么一步步演變成人類的，一直是令科學(xué)家好奇的問題。研究表明，3億多年前，一群肉鰭魚慢慢爬上陸地，演化出如今的兩棲動物、爬行動物、鳥類和包括人類所屬哺乳動物在內(nèi)的四足脊椎動物。這其中，魚類登陸是生命演化史上的里程碑式事件。
但這個過程具體是怎樣的？一開始，魚類是如何過渡成兩棲動物的？至今仍沒有足夠認(rèn)識。前不久，來自澳大利亞和加拿大的古生物學(xué)家們，揭開了其中重要一環(huán)：他們發(fā)現(xiàn)了一種古老的螈類——“希望螈”化石，揭示了魚鰭向人類手部的演化過程。
長“手指”的魚
魚類從水生到陸生環(huán)境的轉(zhuǎn)換會遇到許多困難，其中最重要的挑戰(zhàn)，就是將鰭逐漸演化為有力的四肢，獲得在陸地上運(yùn)動的能力。
之前人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些關(guān)鍵化石。一個是泥盆紀(jì)晚期的提塔利克魚，它的鰭和魚類祖先相比變得更小也更簡單了。其胸鰭的鰭條很不對稱，科學(xué)家推測在其底部已經(jīng)形成了一層“掌心肉”，并且具有骨骼支撐，只是還沒有長出明確的指骨。提塔利克魚的鰭不足以支撐其上陸，但可以幫助它們在水底移動。
同樣生活在泥盆紀(jì)晚期，被認(rèn)為是“最早四足動物”的魚石螈和棘螈，則已經(jīng)拋棄了由鰭條支撐的胸鰭和腹鰭，取而代之的是由骨骼支撐的四肢，包括數(shù)量不等的手指（原為鰭條）。這證明它們除了能夠在水底移動，還擁有了一定的陸地移動能力。
最早的四足動物——魚石螈，已經(jīng)長出了手指。
但是，在它們之間，還缺少了一個關(guān)鍵過渡——既有鰭條，又有指骨的魚。希望螈的出現(xiàn)正好彌補(bǔ)了這一環(huán)。
承前啟后的新化石
在這項(xiàng)新研究中，研究人員對一塊距今3.8億年的泥盆紀(jì)晚期的“希望螈”化石進(jìn)行了高精度CT掃描，結(jié)果顯示，這種魚既有鰭條，也擁有明顯的指骨。
在由鰭條包裹的胸鰭中，不僅可以清晰地看到肱骨、橈骨和尺骨、腕骨和掌骨（相當(dāng)于人類的大臂、小臂、手腕和手掌），還發(fā)現(xiàn)了兩根明確的指骨，以及三根可能存在的指骨。這一結(jié)果告訴我們，魚類在離開水之前，就已經(jīng)有脊椎動物基本的四肢結(jié)構(gòu)了。
同時，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，希望螈比提塔利克魚更接近四足動物，填補(bǔ)了魚類向四足動物演化的重要空白。登上陸地，“手指”只是一小步。這是我們“祖先”的高光時刻。但我們不免會好奇，“魚類變?nèi)恕钡娜^程是怎樣的。魚類要登上陸地，面對的不僅僅是身體移動的問題，其他身體結(jié)構(gòu)，包括呼吸、捕食，乃至繁殖行為和發(fā)育過程，都要升級換代。如此浩大而復(fù)雜的工程，是如何實(shí)現(xiàn)的呢？生物學(xué)家認(rèn)為，主要經(jīng)歷了四個重要的身體結(jié)構(gòu)變化。
頜的出現(xiàn)
在5.4億年前的寒武紀(jì)生命大爆發(fā)中，以?？隰~、昆明魚為代表的早期魚形動物沒有頜，只能被動吸入（和過濾）海水中的懸浮物、或海底泥沙中的食物碎片作為食物。在大約距今4.2億年前的志留紀(jì)晚期，一批魚類的鰓弓（原為呼吸器官）向前移動，形成了上下頜。這使得它們可以主動出擊捕食。
此后魚類迅速發(fā)展，在1000多萬年內(nèi)體型就從幾十厘米增大到幾米。其中鄧氏魚（一種盾皮魚類）的體長更是達(dá)到6米，體重超過10噸，頜部輸出的咬合力超過霸王龍！憑借一身“先進(jìn)”裝備，魚類將無脊椎動物趕下寶座，成為海洋新霸主。
從軟骨變硬骨
魚類在海洋中稱霸之后，即開始了更加激烈的內(nèi)部競爭。盾皮魚類逐漸演化成兩大類群——軟骨魚和硬骨魚。前者骨骼中碳酸鈣含量較低，是現(xiàn)生鯊魚、鰩魚等水生動物的祖先。而硬骨魚的骨骼中碳酸鈣含量高，全身骨頭變硬，使其能夠支撐起體重，為以后登陸提供了基礎(chǔ)。
四肢的出現(xiàn)
硬骨魚中的一個支系——肉鰭魚類，開始了更大膽的“嘗試”。它們的魚鰭不再是簡單的鰭條，而是生長著骨骼，并在外面包裹著一層肌肉，能夠?yàn)槠湓谒滓苿犹峁﹦恿Φ募∪?。為了擺脫競爭日益激烈的海洋，一些肉鰭魚開始向內(nèi)陸的淡水環(huán)境遷徙。
與海洋相比，淡水河湖的水量受季節(jié)影響，變化很大。在雨季里，低洼的蕨類森林底層被水浸沒，植物的根系和倒沉的枝干使水底形貌更復(fù)雜，這時，肉鰭魚強(qiáng)壯的身體和肉鰭就能大顯身手，在淤堵的水下為自己開路，四處游走。當(dāng)枯水季來臨，水塘萎縮干涸，它們又可以蹣跚地爬過淺灘，進(jìn)入更深的水體，避免被曬成魚干。在這個過程中，它們的肉鰭越來越強(qiáng)壯和復(fù)雜，最終演化成了四肢，可以支持它們在陸地上移動。
呼吸系統(tǒng)的升級
魚類從水中到陸地上，還需要解決如何從空氣中吸氧的問題。這全仰賴內(nèi)鼻孔和肺組成的“陸生呼吸系統(tǒng)”的形成。其實(shí)早期的魚類就可以使用體表的皮膚、咽喉和腸壁的粘膜等來輔助呼吸，之后，有些魚類將消化道的一部分?jǐn)U充變大，用來儲存空氣，這就是原始的魚鰾。肉鰭魚在頻繁使用魚鰾輔助呼吸的過程中，不斷強(qiáng)化它的功能，最終形成了肺部。而要想將空氣送入肺部，還需要形成相關(guān)通道。肉鰭魚類口腔的一些骨骼組成了鼻腔和口腔之間的通道，這就是內(nèi)鼻孔。從此之后當(dāng)它們嘴巴閉合或進(jìn)食的時候，內(nèi)鼻孔就成為呼吸的唯一通道。
在陸地上繁榮昌盛
關(guān)于魚類為什么要登上陸地，科學(xué)家們推測，環(huán)境壓力是驅(qū)使魚從水里遷移到岸上的主要原因。泥盆紀(jì)末期的海洋，是一個競爭異常激烈的環(huán)境，反觀陸地上卻是一片生機(jī)盎然的樂土：郁郁蔥蔥的植物鋪滿大地，其間生活著大量節(jié)肢動物。競爭壓力和食物的吸引，使得魚類涉足陸地，演化成布滿粘液、笨拙地拖曳著沉重身體在淺沼泥污中艱難爬行的兩棲動物。
然而僅僅登陸并不能滿足這些四足動物的野心。要想深入探索這片廣袤的大地，還要解決一個難題：由于缺乏外部的保水措施，兩棲動物的卵無法脫離水或者潮濕的環(huán)境孵化繁殖。
在生存壓力之下，一些四足動物演化出了擁有堅(jiān)硬外殼的卵，于是，世界上第一枚“蛋”誕生了！這種被稱為羊膜卵的生殖方式，為胚胎創(chuàng)造了一個封閉的環(huán)境，可以提供其生長所需的養(yǎng)分和水分。擺脫了水環(huán)境對生殖的束縛，四足動物開始進(jìn)軍沙漠和其他干旱地區(qū)，最終遍布全球，征服陸地。而后，這些羊膜卵四足動物演化出兩個主要支系——蜥形綱和合弓綱。前者包括現(xiàn)生爬行動物及其祖先;魚龍、翼龍等叱咤中生代海洋和天空的滅絕動物;還有大家熟悉的明星——恐龍及它的鳥類后裔。后者就是我們哺乳動物的祖先類群。它們曾在二疊紀(jì)到三疊紀(jì)早期先于恐龍統(tǒng)治著整個大陸，后來由于二疊紀(jì)大滅絕和三疊紀(jì)晚期大滅絕事件的連續(xù)打擊，日漸式微，被蜥形綱奪去統(tǒng)治地位。
雖然只能縮小體型戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢地生活在恐龍的陰影之下，但我們的祖先沒有放棄努力。它們不斷強(qiáng)化自身本領(lǐng)，陸續(xù)演化出哺乳、胎生、熱血等特征，等待著時機(jī)到來。
后面的事情，大家都知道了：6600萬年前一顆小行星撞擊地球，結(jié)束了以恐龍為代表的蜥形綱的統(tǒng)治，空出的生態(tài)位被哺乳動物迅速填補(bǔ)。此后的6000多萬年里，哺乳動物不斷演化，逐步占領(lǐng)了世界。再之后，700萬年前的非洲東部，靈長類動物中的一支——古猿與黑猩猩在演化路上分道揚(yáng)鑣，它們跳下樹冠，學(xué)會了直立行走、制造并使用工具和使用火。
最終，在200萬到1萬年前，這些原始人類走出非洲，遷徙到全球各地，演化成了手拿手機(jī)、眼瞪屏幕的我們。
我們都是一條魚
最后回到一個老問題：新發(fā)現(xiàn)的希望螈，是我們的直系祖先嗎？
很遺憾，這個問題目前是無法回答的。盡管我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多魚類向兩棲動物過渡的化石，但它們是否是人類直系祖先，還存在著很大爭議。
從化石上看，許多現(xiàn)生四足動物普遍具有的結(jié)構(gòu)，在這些化石中都沒有發(fā)現(xiàn)。比如，大部分現(xiàn)生四足動物每只手都有5根手指，而希望螈，顯然有更多手指，后面的魚石螈，則每只手有6～7根指骨，棘螈甚至有8根。而在它們之后，石炭紀(jì)早期的引螈等兩棲動物，都是5根指頭。鑒于魚石螈和引螈之間存在1500萬年的四足動物化石的空白期（被稱為柔默空缺），想要還原魚類登陸的過程，只能等待更多化石的發(fā)現(xiàn)。
不過，我們需要理解的是：糾結(jié)“直系祖先”這個問題，其實(shí)也是沒有意義的。生命演化是極其復(fù)雜、精細(xì)的過程，而化石記錄相對極為稀少并且不連貫，因此嚴(yán)格意義上的直系祖先是很難找到的。我們能找到的可能永遠(yuǎn)只是近親或“表親”。但是這些親戚總是有一些在形態(tài)和親緣關(guān)系上，都非常接近我們的直系祖先。通過它們完全不妨礙我們還原直系祖先的特征。
由于希望螈是目前找到的最接近所有四足動物共同祖先的魚，因此，它可能是我們的直系祖先，也可能不是，但它一定是迄今發(fā)現(xiàn)最像我們直系祖先的生物。通過它，我們又對祖先的特征多了一些認(rèn)知。
時間不停，演化不息，可以非?？隙ǖ卣f，我們就是一條魚，一條“超級改進(jìn)版”的肉鰭魚。我們正在用“腹鰭”四處行走，用“胸鰭”拿著手機(jī)不斷滑動。
（摘自《奧秘》2020年第7期）
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同樣生活在泥盆紀(jì)晚期，被認(rèn)為是“最早四足動物”的魚石螈和棘螈，則已經(jīng)拋棄了由鰭條支撐的胸鰭和腹鰭，取而代之的是由骨骼支撐的四肢，包括數(shù)量不等的手指（原為鰭條）。這證明它們除了能夠在水底移動，還擁有了一定的陸地移動能力。
最早的四足動物——魚石螈，已經(jīng)長出了手指。
但是，在它們之間，還缺少了一個關(guān)鍵過渡——既有鰭條，又有指骨的魚。希望螈的出現(xiàn)正好彌補(bǔ)了這一環(huán)。
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在由鰭條包裹的胸鰭中，不僅可以清晰地看到肱骨、橈骨和尺骨、腕骨和掌骨（相當(dāng)于人類的大臂、小臂、手腕和手掌），還發(fā)現(xiàn)了兩根明確的指骨，以及三根可能存在的指骨。這一結(jié)果告訴我們，魚類在離開水之前，就已經(jīng)有脊椎動物基本的四肢結(jié)構(gòu)了。
同時，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，希望螈比提塔利克魚更接近四足動物，填補(bǔ)了魚類向四足動物演化的重要空白。登上陸地，“手指”只是一小步。這是我們“祖先”的高光時刻。但我們不免會好奇，“魚類變?nèi)恕钡娜^程是怎樣的。魚類要登上陸地，面對的不僅僅是身體移動的問題，其他身體結(jié)構(gòu)，包括呼吸、捕食，乃至繁殖行為和發(fā)育過程，都要升級換代。如此浩大而復(fù)雜的工程，是如何實(shí)現(xiàn)的呢？生物學(xué)家認(rèn)為，主要經(jīng)歷了四個重要的身體結(jié)構(gòu)變化。
頜的出現(xiàn)
在5.4億年前的寒武紀(jì)生命大爆發(fā)中，以?？隰~、昆明魚為代表的早期魚形動物沒有頜，只能被動吸入（和過濾）海水中的懸浮物、或海底泥沙中的食物碎片作為食物。在大約距今4.2億年前的志留紀(jì)晚期，一批魚類的鰓弓（原為呼吸器官）向前移動，形成了上下頜。這使得它們可以主動出擊捕食。
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從軟骨變硬骨
魚類在海洋中稱霸之后，即開始了更加激烈的內(nèi)部競爭。盾皮魚類逐漸演化成兩大類群——軟骨魚和硬骨魚。前者骨骼中碳酸鈣含量較低，是現(xiàn)生鯊魚、鰩魚等水生動物的祖先。而硬骨魚的骨骼中碳酸鈣含量高，全身骨頭變硬，使其能夠支撐起體重，為以后登陸提供了基礎(chǔ)。
四肢的出現(xiàn)
硬骨魚中的一個支系——肉鰭魚類，開始了更大膽的“嘗試”。它們的魚鰭不再是簡單的鰭條，而是生長著骨骼，并在外面包裹著一層肌肉，能夠?yàn)槠湓谒滓苿犹峁﹦恿Φ募∪?。為了擺脫競爭日益激烈的海洋，一些肉鰭魚開始向內(nèi)陸的淡水環(huán)境遷徙。
與海洋相比，淡水河湖的水量受季節(jié)影響，變化很大。在雨季里，低洼的蕨類森林底層被水浸沒，植物的根系和倒沉的枝干使水底形貌更復(fù)雜，這時，肉鰭魚強(qiáng)壯的身體和肉鰭就能大顯身手，在淤堵的水下為自己開路，四處游走。當(dāng)枯水季來臨，水塘萎縮干涸，它們又可以蹣跚地爬過淺灘，進(jìn)入更深的水體，避免被曬成魚干。在這個過程中，它們的肉鰭越來越強(qiáng)壯和復(fù)雜，最終演化成了四肢，可以支持它們在陸地上移動。
呼吸系統(tǒng)的升級
魚類從水中到陸地上，還需要解決如何從空氣中吸氧的問題。這全仰賴內(nèi)鼻孔和肺組成的“陸生呼吸系統(tǒng)”的形成。其實(shí)早期的魚類就可以使用體表的皮膚、咽喉和腸壁的粘膜等來輔助呼吸，之后，有些魚類將消化道的一部分?jǐn)U充變大，用來儲存空氣，這就是原始的魚鰾。肉鰭魚在頻繁使用魚鰾輔助呼吸的過程中，不斷強(qiáng)化它的功能，最終形成了肺部。而要想將空氣送入肺部，還需要形成相關(guān)通道。肉鰭魚類口腔的一些骨骼組成了鼻腔和口腔之間的通道，這就是內(nèi)鼻孔。從此之后當(dāng)它們嘴巴閉合或進(jìn)食的時候，內(nèi)鼻孔就成為呼吸的唯一通道。
在陸地上繁榮昌盛
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在生存壓力之下，一些四足動物演化出了擁有堅(jiān)硬外殼的卵，于是，世界上第一枚“蛋”誕生了！這種被稱為羊膜卵的生殖方式，為胚胎創(chuàng)造了一個封閉的環(huán)境，可以提供其生長所需的養(yǎng)分和水分。擺脫了水環(huán)境對生殖的束縛，四足動物開始進(jìn)軍沙漠和其他干旱地區(qū)，最終遍布全球，征服陸地。而后，這些羊膜卵四足動物演化出兩個主要支系——蜥形綱和合弓綱。前者包括現(xiàn)生爬行動物及其祖先;魚龍、翼龍等叱咤中生代海洋和天空的滅絕動物;還有大家熟悉的明星——恐龍及它的鳥類后裔。后者就是我們哺乳動物的祖先類群。它們曾在二疊紀(jì)到三疊紀(jì)早期先于恐龍統(tǒng)治著整個大陸，后來由于二疊紀(jì)大滅絕和三疊紀(jì)晚期大滅絕事件的連續(xù)打擊，日漸式微，被蜥形綱奪去統(tǒng)治地位。
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我們都是一條魚
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不過，我們需要理解的是：糾結(jié)“直系祖先”這個問題，其實(shí)也是沒有意義的。生命演化是極其復(fù)雜、精細(xì)的過程，而化石記錄相對極為稀少并且不連貫，因此嚴(yán)格意義上的直系祖先是很難找到的。我們能找到的可能永遠(yuǎn)只是近親或“表親”。但是這些親戚總是有一些在形態(tài)和親緣關(guān)系上，都非常接近我們的直系祖先。通過它們完全不妨礙我們還原直系祖先的特征。
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