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我们都是一条鱼?是的,且看祖先如何长出“手指”
发布时间:2020-04-26     作者:   来源:科普中国   分享到:

从鱼变人分几步?看祖先如何完成大工程。

  希望螈化石 | 《自然》杂志

  作者 | 刘森 辽宁古生物博物馆 展览部主任

  当你掏出手机,用拇指滑动屏幕,阅读这篇文章的时候,或许不会想到,这几个对我们来说再平常不过的动作,却是源于3亿年前一群不甘平凡的鱼类,在浅滩中用胸鳍移动身体所作的无数次努力。

  鱼是怎么一步步演变成人类的,一直是令科学家好奇的问题。研究表明,3亿多年前,一群肉鳍鱼慢慢爬上陆地,演化出现生的两栖动物、爬行动物、鸟类和包括人类所属哺乳动物在内的四足脊椎动物。这其中,鱼类登陆是生命演化史上的里程碑式事件。

  但这个过程具体是怎样的?一开始,鱼类是如何过渡成两栖动物的?至今仍没有足够认识。

  最近,来自澳大利亚和加拿大的古生物学家们,揭开了其中重要一环:他们发现了一种古老的螈类——“希望螈”化石,揭示了鱼鳍向人类手部的演化过程。该研究发表在2020年3月18日的《自然》杂志。

  

“希望螈”艺术复原图 | KatrinaKenny

  长“手指”的鱼

  鱼类从水生到陆生环境的转换会遇到许多困难,其中最重要的挑战,就是将鳍逐渐演化为有力的四肢,获得在陆地上运动的能力。

  之前人们已经发现了一些关键化石。

  一个是泥盆纪晚期的提塔利克鱼,它的鳍和鱼类祖先相比变得更小也更简单了。其胸鳍的鳍条很不对称,科学家推测在其底部已经形成了一层“掌心肉”,并且具有骨骼支撑,只是还没有长出明确的指骨。

  提塔利克鱼的鳍不足以支撑其上陆,但可以帮助它们在水底移动。

  同样生活在泥盆纪晚期,被认为是“最早四足动物”的的鱼石螈和棘螈,则已经抛弃了由鳍条支撑的胸鳍和腹鳍,取而代之的是由骨骼支撑的四肢,包括数量不等的手指(原为鳍条)。

  这证明它们除了能够在水底移动,还拥有了一定的陆地移动能力。

  最早的四足动物——鱼石螈,已经长出了手指(原为鳍条) | 维基百科

  但是,在它们之间,还缺少了一个关键过渡——既有鳍条,又有指骨的鱼。

  希望螈的出现正好弥补了这一环。

  承前启后的新化石

  在这项新研究中,研究人员对一块距今3.8亿年前泥盆纪晚期的“希望螈”化石进行了高精度CT扫描,结果显示,这种鱼既有鳍条,也拥有明显的指骨。

  在由鳍条包裹的胸鳍中,不仅可以清晰地看到肱骨、桡骨+尺骨、腕骨和掌骨(相当于人类的大臂、小臂、手腕和手掌),还发现了两根明确的指骨,以及三根可能的指骨。

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希望螈胸鳍骨骼与人类上肢骨骼对比,图中红色为确认的指骨 | John Long

  这一结果告诉我们,鱼类在离开水之前,就已经有脊椎动物基本的四肢结构了。

  同时,经过对比发现,希望螈比提塔利克鱼更接近四足动物,填补了鱼类向四足动物演化的重要空白。

  登上陆地,“手指”只是一小步

  这是我们“祖先”的高光时刻。但我们不免会好奇,“鱼类变人”的全过程是怎样的。

  鱼类要登上陆地,面对的不仅仅是身体移动的问题,其他身体结构,包括呼吸、捕食,乃至繁殖行为和发育过程,都要升级换代。

  如此浩大而复杂的工程,是如何实现的呢?

  生物学家认为,主要经历四个重要的身体结构变化。

  1)颌的出现

  首先是颌的出现。在5.4亿年前的寒武纪生命大爆发中,以海口鱼、昆明鱼为代表的早期鱼形动物没有颌,只能被动吸入(和过滤)海水中的悬浮物、或海底泥沙中的食物碎片作为食物。

  在大约距今4.2亿年前的志留纪晚期,一批鱼类的鳃弓(原为呼吸器官)向前移动,形成了上下颌。这使得它们可以主动出击捕食。

  此后鱼类迅速发展,在1000多万年内体型就从几十厘米增大到几米。其中邓氏鱼(一种盾皮鱼类)的体长更是达到6米,体重超过10吨,颌部输出的咬合力超过霸王龙!

  凭借一身“先进”装备,鱼类将无脊椎动物赶下宝座,成为海洋新霸主。

邓氏鱼复原图,体长可达6米。颌的出现,让鱼类获得巨大生存优势 | 来自网络

  2)从软骨变硬骨

  第二个是软骨变硬骨。鱼类在海洋中称霸之后,即开始了更加激烈的内部竞争。盾皮鱼类逐渐演化成两大类群,软骨鱼和硬骨鱼。

  前者骨骼中碳酸钙含量较低,是现生鲨鱼、鳐鱼等水生动物的祖先。而硬骨鱼的骨骼中碳酸钙含量高,全身骨头变硬,使其能够支撑起体重,为以后登陆提供了基础。

  3)四肢的出现

  第三个是四肢的出现。硬骨鱼中的一个支系——肉鳍鱼类,开始了更大胆的“尝试”。

  它们的鱼鳍不再是简单的鳍条,而是生长着骨骼,并在外面包裹着一层肌肉,能够为其在水底移动提供动力。

  为了摆脱竞争日益激烈的海洋,一些肉鳍鱼开始向内陆的淡水环境迁徙。

现生肉鳍鱼——拉蒂迈鱼,它们的鱼鳍中长着骨头,并包裹肌肉 | 中国古动物馆

  与海洋相比,淡水河湖的水量受季节影响,变化很大。在雨季里,低洼的蕨类森林底层被水浸没,植物的根系和倒沉的枝干使水底形貌更复杂,这时,肉鳍鱼强壮的身体和肉鳍就能大显身手,在淤堵的水下为自己开路,四处游走。当枯水季来临,水塘萎缩干涸,它们又可以蹒跚地爬过浅滩,进入更深的水体,避免被晒成鱼干。

  在这个过程中,它们的肉鳍越来越强壮和复杂,最终演化成了四肢,可以支持它们在陆地上移动。

  4)呼吸系统的升级

  鱼类从水中到陆地上,还需要解决如何从空气中吸氧的问题。这全仰赖内鼻孔和肺组成的“陆生呼吸系统”的形成。

  其实早期的鱼类就可以使用体表的皮肤、咽喉和肠壁的粘膜等来辅助呼吸,之后,有些鱼类将消化道的一部分扩充变大,用来储存空气,这就是原始的鱼鳔。

  肉鳍鱼在频繁使用鱼鳔辅助呼吸的过程中,不断强化它的功能,最终形成了肺部。

  而要想将空气送入肺部,还需要形成相关通道。肉鳍鱼类口腔的一些骨骼组成了鼻腔和口腔之间的通道,这就是内鼻孔。从此之后当它们嘴巴闭合或进食的时候,内鼻孔就成为呼吸的唯一通道。

  在陆地上繁荣昌盛

  关于鱼类为什么要登上陆地,科学家们推测,环境压力是驱使鱼从水里迁移到岸上的主要原因。

  泥盆纪末期的海洋,是一个竞争异常激烈的环境,反观陆地上却是一片生机盎然的乐土:郁郁葱葱的植物铺满大地,其间生活着大量节肢动物。竞争压力和食物的吸引,使得鱼类涉足陆地,演化成布满粘液、笨拙地拖曳着沉重身体在浅沼泥污中艰难爬行的两栖动物。

  然而仅仅登陆并不能满足这些四足动物的野心。要想深入探索这片广袤的大地,还要解决一个难题:由于缺乏外部的保水措施,两栖动物的卵无法脱离水或者潮湿的环境孵化繁殖。

  在生存压力之下,一些四足动物演化出了拥有坚硬外壳的卵,于是,世界上第一枚“蛋”诞生了!

  这种被称为羊膜卵的生殖方式,为胚胎创造了一个封闭的环境,可以提供其生长所需的养分和水分。摆脱了水环境对生殖的束缚,四足动物开始进军沙漠和其他干旱地区,最终遍布全球,征服陆地。

  而后,这些羊膜卵四足动物演化出两个主要支系——蜥形纲和合弓纲。前者包括现生爬行动物及其祖先;鱼龙、翼龙等叱咤中生代海洋和天空的灭绝动物;还有大家熟悉的明星——恐龙及它的鸟类后裔。

  后者就是我们哺乳动物的祖先类群。它们曾在二叠纪到三叠纪早期先于恐龙统治着整个大陆,后来由于二叠纪大灭绝和三叠纪晚期大灭绝事件的连续打击,日渐式微,被蜥形纲夺去统治地位。

  虽然只能缩小体型战战兢兢地生活在恐龙的阴影之下,但我们的祖先没有放弃努力。它们不断强化自身本领,陆续演化出哺乳、胎生、热血等特征,等待着时机到来。

  

恐龙时代,蜥形纲一片鼎盛,我们的祖先(合弓纲)瑟缩着生活其间 | 图虫创意

  后面的事情,大家都知道了:6600万年前一颗小行星撞击地球,结束了以恐龙为代表的蜥形纲的统治,空出的生态位被哺乳动物迅速填补。

  此后的6000多万年里,哺乳动物不断演化,逐步占领了世界。再之后,700万年前的非洲东部,灵长类动物中的一支——类人猿与黑猩猩在演化路上分道扬镳,它们跳下树冠,学会了直立行走、制造/使用工具和使用火。

  最终,在200万到1万年前,这些原始人类走出非洲,迁徙到全球各地,演化成了手拿手机、眼瞪屏幕的我们。

  我们都是一条鱼

  最后回到一个老问题:新发现的希望螈,是我们的直系祖先吗?

  很遗憾,这个问题目前是无法回答的。尽管我们已经发现了很多鱼类向两栖动物过渡的化石,但它们是否是人类直系祖先,还存在着很大争议。

  从化石上看,许多现生四足动物普遍具有的结构,在这些化石中都没有发现。比如,大部分现生四足动物每只手都有5根手指,而希望螈,显然有更多手指,后面的鱼石螈,则每只手有6~7根指骨,棘螈甚至有8根。

  而在它们之后,石炭纪早期的引螈等两栖动物,都是5根指头。

  鉴于鱼石螈和引螈之间存在1500万年的四足动物化石的空白期(被称为柔默空缺),想要还原鱼类登陆的过程,只能等待更多化石的发现。

  不过,我们需要理解的是:纠结“直系祖先”这个问题,其实也是没有意义的。

  生命演化是极其复杂、精细的过程,而化石记录相对极为稀少并且不连贯,因此严格意义上的直系祖先是很难找到的。我们能找到的可能永远只是近亲或“表亲”。但是这些亲戚总是有一些在形态和亲缘关系上,都非常接近我们的直系祖先。通过它们完全不妨碍我们还原直系祖先的特征。

  由于希望螈是目前找到的最接近所有四足动物共同祖先的鱼,因此,它可能是我们的直系祖先,也可能不是,但它一定是迄今发现最像我们直系祖先的生物。通过它,我们又对祖先的特征多了一些认知。

  时间不停,演化不息,可以非常肯定地说,我们就是一条鱼,一条“超级改进版”的肉鳍鱼。我们正在用“腹鳍”四处行走,用“胸鳍”拿着手机不断滑动,就是你现在表现的样子。

 

  论文地址:

  Richard Cloutier et al. Elpistostege and the origin of the vertebrate hand. Nature volume 579, pages549–554(2020)

  https://www.nature.com/articles/s41586-020-2100-8


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