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魚在水裏遊人在地上走,你身上這些特徵其實來自於魚

http://finance.sina.com   2018年11月01日 18:38   北京新浪網

  來源:北京科技報

  生命演化過程中,魚類邁向陸地的一小步,最終促成了脊椎動物乃至人類的大發展。我們身上的哪些特徵還能夠從魚的身上發展蹤跡?

  爲什麼我們是從一條“小魚”變成“人”,而不是從一隻“小蜘蛛”變成“人”的呢?這之間有什麼科學的證據和聯繫麼?10月20日,“時空之旅:從魚到人的生命變遷”科普宣傳活動在北京自然博物館舉行,活動邀請了中國科學院古脊椎動物與古人類研究所研究員朱敏、北京大學外科學博士馬向濤爲大衆帶來了一場從古魚類到人類進化的講座。解答古魚類是如何從肉鰭魚登陸、逐漸演變成人的話題,以下是講座精彩內容整理。

  生命演化中存在許多未解之謎  

  “人類從哪裏來,現在在哪裏,到哪裏去”,這是公衆與科學界都非常關心的問題,也是個哲學問題。國際上,美國頂級的刊物《科學》雜誌在125週年的時候,提出125個重大科學問題,比如恐龍爲什麼會如此龐大?現在有多少個人種,他們之間有什麼關聯?什麼基因改變造就了獨特的人類?鳥類的翅膀、魚類的鰭等是怎麼發育進化的?這些都是非常重大的科學問題。

  實際上生命演化的過程中間,存在着許許多多的未解之謎。46億年前地球誕生;40億年前出現大塊陸地;34億年前最早的生命出現了。按照進化論來講,以脊椎動物爲例,從魚類到青蛙、恐龍到鳥類,包括人類都有脊椎骨,這些結構都可以一點一點追溯到早期魚類。脊椎動物演化的主幹是硬骨脊椎動物,包括水中的硬骨魚和陸地上的四足動物,這兩大分支分別征服了今日地球的水域和陸地。

▲地球生物進化旅程(圖片由朱敏提供)▲地球生物進化旅程(圖片由朱敏提供)

  不過從魚到人並不是幾天、幾年或者幾萬年就能完成的事情,這個時間跨度達到了將近5億年。最早的魚5億多年前就有了,當時地球上的高等動物,全在水裏頭,陸地上非常荒蕪,基本上什麼東西也沒有,沒有草木昆蟲,生命都在水中間,都在海洋中。然後魚類在某一階段,大概3億年前的時候最終登上陸地,演變出了兩棲類,然後變成了爬行類,爬行類變成了哺乳動物,哺乳動物然後慢慢進化了人類,就是這麼一個演化的歷程。

  魚爬到陸地上有多困難?

  魚類登陸最早的化石證據是魚石螈類,這種生物有點像現在娃娃魚的樣子,它有魚的尾巴,同時也有了前肢和後肢,所以它能夠爬上陸地。魚石螈類的化石最早發現於北極附近的格陵蘭島。

▲魚石螈化石和復原圖(圖片由朱敏提供)▲魚石螈化石和復原圖(圖片由朱敏提供)

  100多年前,當時有很多的探險家去探險北極,1897年探險家安德利坐熱氣球去北極探險,獨自一人到格陵蘭島北極圈,一去不復返了,這個地方一到冬天根本進不去了,第二年開始要去搜尋他,在搜尋過程就發現了一些化石材料,這些化石材料後來又交給英國古生物學家,研究後發現是魚石螈化石。

  魚類要登上陸地的話,也不是那麼簡單的事情,很多身體結構要發生改變,纔可以適應陸地的環境。首先呼吸系統必須要改變,因爲在水裏是通過鰓進行呼吸的,到了陸地要通過肺進行呼吸。還有在水裏大家游泳,如果是“大胖子”不用遊就可以漂浮,因爲水的浮力把重力抵消了。但是到陸地上就要克服重力影響,手腳必須要強壯,還要通過肩帶跟腰帶進行支撐,所以整個身體結構要發生很多的變化。

  魚類最早在哪裏上岸的?

  動物分類學上,硬骨魚綱可分成兩大類,像平時吃的這些草魚、鰱魚等,在科學上有個名詞叫輻鰭魚類,現在地球上49%的脊椎動物的物種都是輻鰭魚類。另外一支叫肉鰭魚類。肉鰭魚顧名思義,它的鰭有很大一部分和我們四肢一樣有發達肌肉,裏面有支撐的骨頭,這就使得它們能夠爬到陸地上來。

  追溯最早的肉鰭魚的演化歷史,大約是在4億年前的中國雲南曲靖,這裏是肉鰭魚類的故鄉,所有登陸的魚類都發源於這個地方。寒武紀生命爆發之前,當時的地球跟現在是不太一樣的,包括中國的南方、北方,現在大多在溫帶,當時都是在赤道上,雲南曲靖是個海灣的環境,孕育了最早向陸地進發的魚類。

▲4億年前雲南曲靖水下藝術想象圖和位置地圖(圖片由朱敏提供)▲4億年前雲南曲靖水下藝術想象圖和位置地圖(圖片由朱敏提供)

  志留紀到泥盆紀時的中國南方是漂泊在赤道附近的孤洲,靠近南方廣袤的岡瓦納大陸的北緣。雲南處於這片孤洲的南部。那時,植物尚未侵入內陸,河流從大陸中央裸露的荒蕪山脈間蜿蜒流出,在相當於現代滇東曲靖的地方匯入海洋,帶來豐富的營養物質,養育了河口海灣中欣欣向榮的生態系統。

  還在魚類時代開始以前,這裏就已經是魚類的“王國”:珊瑚和腕足動物在礁岩附近繁衍生息,爲魚類提供了藏身之處;成羣的小魚辛勤地在水底濾食泥沙,或尋找蠕蟲等柔軟食物;兇猛的大型掠食魚類在它們頭頂巡遊……數千萬年的時間裏,多少奇形怪狀的魚類曾在這裏生長、繁衍、死去,遺體沉入水底,爲泥沙包裹,少數的幸運地變成了化石。

  4億多年時光過去了,海陸更迭,古老的海灣早已變成今日滇東的起伏山巒和其間的片片農田。古代的海底泥沙經過漫長複雜的地質作用,形成層層疊疊的地層,橫跨志留紀、泥盆紀的連續沉積就出露在這裏。

  魚的頜部最終演化成了人類頜骨

  魚類早期進化歷史上曾經出現過一類叫做盾皮魚的魚類,它們身披骨片鎧甲,已經有了頜,但是頜部構造要比後來的魚類簡單。2018年,科學家發現一種叫麒麟魚的盾皮魚類,這種魚是個“四不像”,它把不同魚類的形態結合在一起,很好地解釋了盾皮魚類缺少的複雜的頜部結構是如何出現的,而這種更復雜的頜部結構最終演化成了我們人類的頜骨。

▲朱敏等人發現了一種來自中國雲南省曲靖市的盾皮魚(麒麟魚),它掃除了在脊椎動物頜演化認識上的盲區。(圖片由朱敏提供)▲朱敏等人發現了一種來自中國雲南省曲靖市的盾皮魚(麒麟魚),它掃除了在脊椎動物頜演化認識上的盲區。(圖片由朱敏提供)

  麒麟魚的正型標本十分精美,包裹它身體的大塊骨甲經過4.2億多年的漫長時光,仍完美地保存下它的形狀。它的頭頂隆起成“額頭”,有點像海豚;頭前端有前伸的扁平吻突,口和鼻孔都位於腹面,又有點像鱘魚;軀體呈長長的箱形,底部平坦。在志留紀曲靖的海灣中,它們大概聚集成羣,在水底緩慢遊動,用吻部翻起泥沙,尋找蠕蟲和有機碎屑爲食,靠箱形的骨甲抵禦水域中海蠍和大型魚類等捕食者的襲擊。

  麒麟魚的名字一語雙關,既以發現地曲靖市麒麟區命名,也寓意它像傳說中有龍頭、鹿角、麋身、牛尾的神獸——麒麟一樣,集多個類羣的特徵於一身:其位於口部邊緣、與面部其他骨骼相接的邊緣頜骨足以將它明確無誤地歸入全頜盾皮魚類;其顱頂甲也與初始全頜魚相似,與原始節甲魚類相去不遠,但長方箱形的骨甲、多塊中背片和鰓蓋構造卻與胴甲魚類相似,真是一條“麒麟”怪魚。

▲魚類頭骨變化成人頭骨示意(圖片由朱敏提供)▲魚類頭骨變化成人頭骨示意(圖片由朱敏提供)

  這條“四不像”怪魚是中國志留紀特有全頜盾皮魚類中的最新成員,它的頜骨顯示了從盾皮魚原頜狀態到硬骨魚全頜狀態的中間類型,人類的頜骨因此能夠一直追溯到最原始的有頜脊椎動物。新發現改變了盾皮魚類已經滅絕的傳統認識,這個類羣成爲理解脊椎動物的身體結構如何在久遠的過去一步步演化而來的關鍵。

  我們的耳朵是魚的嘴巴變成的?

  在地質萬卷書中,保存了生命演化的珍貴信息。人類面孔與頜骨演化之謎對於人類來說,面部是至關重要的身體結構區域,從生理上講,面部集中了對感覺、呼吸、攝食、交流至關重要的五官七竅。達爾文進化論告訴我們,人類和鳥、獸、魚有着共同的祖先,它們的面孔應該可以追溯到一個共同的模式。

  人的面部構造似乎並不複雜,然而它是一系列曲折複雜的演化歷程的結果,化石證據可以幫助追溯面部主要骨骼的演化。然而人類面孔具體如何演化而來,還有許多未解開的謎團,成爲百年來相關領域研究者致力探索的課題。

  比如鯊魚跟大多數魚不太一樣,鯊魚身上除了一些小的鱗片之外,沒有大片大片的骨頭,腦袋上沒有天靈蓋。化石發現結果證明,其實鯊魚的祖先有這種大片骨頭,只是後來在演化過程中這些骨骼退化了。人的下巴跟鯊魚下巴的骨頭雖然功能相似,但來源完全不同。人的上下頜骨跟魚嘴巴周圍的鱗片是同源結構,而鯊魚的頜骨則“跑”到人類耳朵裏去了,相當於我們的聽小骨,變成了耳朵的部分。

▲各種魚類的化石(圖片由朱敏提供)▲各種魚類的化石(圖片由朱敏提供)

  人體很多缺陷其實是進化的產物。比如說男性因爲肚皮上有一塊薄弱區域而特別容易得疝氣,如果完美設計的話不應該出現這類缺陷,但是放到漫長的演化史上看,這些缺陷是來自很多過去祖先留下的遺蹟的積累。比如說人的豁嘴、兔脣的發育缺陷,實際上是魚類登陸的過程中,鼻孔從嘴巴外面移動到口腔內部的關鍵環節留下的遺蹟,這也是進化的產物。所以你必須在進化的框架下,去了解人體身體的結構,你才能更好的瞭解人類的過去、現在和未來。

  縱觀整個生命演化史,重大演化事件往往是飛躍式的,在地質時間的尺度下轉瞬即逝,因而很難在化石記錄中保存下來,造成生物種類間大量的形態鴻溝和演化缺環。時代越是久遠,這些鴻溝和缺環就越大越多。偶爾,我們會幸運地找到一些填補這些鴻溝和缺環的過渡化石,打開了一扇扇難得的窗口一窺演化的奧妙。

  專家介紹 

  朱敏教授來自中科院古脊椎動物和古人類研究所,主要從事早期脊椎動物起源、演化及相關地層學、動物地理學研究。近年來,帶領課題組致力於對硬骨魚綱起源、早期演化以及魚類登陸過程等的探索,並參與了對最早脊椎動物化石的研究。在硬骨魚綱起源與早期演化、四足動物起源、盔甲魚亞綱的形態學與系統學等研究項目上取得了多項突破性的進展。

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