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求解生命演化创造之谜
  新华网 ( 2019-05-31 06:55:50 ) 来源: 《环球》杂志
 

  生命演化之所以能不断向前推进,很重要的是生命总能通过改变生存方式,适应变化的环境,求得进一步发展的机会。

冯伟民

  在已知大约38亿年的地球生命历史上,绝大多数与现代动物形态基本相同的复杂多细胞动物,直到距今5.4亿年的寒武纪早期才突然出现。这些复杂动物为何突然爆发式出现,它们从何进化而来?这一谜团被称为“寒武纪大爆发”之谜,是古生物学和地质学上的一大悬案,自达尔文以来就一直困扰着科学界。

  5月初,一个由中、英、俄三国古生物学者组成的团队发现,大气和海洋的氧气含量变化,是影响5.4亿年前寒武纪生命大爆发的关键因素。这是生命演化和地球科学领域的重要发现,相关成果已于北京时间5月6日晚发表在英国《自然》杂志子刊《自然-地球科学》上。

  在地球演变历史中,生命的演化无疑是最精彩的部分。生命给寂静的地表带来了生机和活力,生命的演化也深刻改变了地球表面的自然面貌。

  生命演化之所以能不断向前推进,很重要的是生命总能通过改变生存方式,适应变化的环境,求得进一步发展的机会。生物要改变生存方式,就要创新生物体制,创造新颖器官,唯有求新突破,才能适应新环境,开辟新的演化空间,达到新的演化高度。

大氧化事件中的创造

  生命之初,蓝藻和细菌构成了海洋中主要的生命类型,尤其是蓝藻可以通过吸收二氧化碳自我营养,又靠叶绿素进行光合作用来释放氧气。久而久之,大气和海洋开始充溢着氧离子。终于在地球经历了几乎一半时间,也就是大约距今23亿年前发生了地球史上第一次大氧化事件。

  大氧化事件对生物界最大的影响乃是真核生命登上了地球历史舞台,开启了通向现代人类的进化之路。

  真核细胞的核心进化是细胞核的形成。细胞核能够系统组织遗传物质,因而会极大提高变异的数量和进化速率。因此,相对于原核细胞,真核细胞具有行使生理、生化功能更为完善的结构物或细胞器官。

  最早的真核生物应该是单细胞的原生生物。真核生物进行的是有氧代谢,其真核细胞的有丝分裂本身就是一个需氧过程,而且真核生物不能很好地防御强烈的紫外线,只有在氧化大气圈形成的同时,臭氧层形成之后,地球才能适合真核生物的生存。因此真核生物登上历史舞台,表明大气圈中氧含量已经达到了一定程度。而迎接这一时刻的到来,地球已经演化了整整一半时间。

寒武纪大爆发的创造

  距今5.18亿年前发生的寒武纪生命大爆发是地球生命史上的里程碑,不仅涌现了几乎所有现生动物门类的祖先,而且出现了一大批新型的动物器官,如眼睛、外骨骼、口器、附肢、鳃腔、脊索乃至头等,使得寒武纪生物群能够适应新环境,拓展新天地,展现丰富多彩的生态场景。

  1984年中国学者在云南发现的澄江生物群和2019年新近发现的湖北清江生物群都是世界顶级的软躯体化石群,毫无疑问也是揭示寒武纪生命大爆发的最佳窗口。

  两江生物群都是同一个时代,但澄江生物群反映海洋浅水环境中的生物面貌,而清江生物群则是海洋较深水环境中的生物面貌,它们的物种多样性各具特色,非常丰富。因此,两江生物群共同见证了寒武纪生命大爆发的辉煌时代,相映成辉,比较全面地反映了寒武纪时代海洋生物的整体面貌。

  寒武纪大爆发中发生了一系列革命性的演化事件,其中,创新性地产生了许多生物器官。例如,眼睛是动物重要的感觉器官,是动物进化史上一个重要创新,它对于动物捕食、运动和感知都有非凡意义。在澄江动物群中,已经发现了保存较好的各类后生动物的眼睛和视觉形式,包括了眼点、复眼、透镜眼与盲眼等,呈现了与早古生代的生物多样性相符合的趋势。

  原始脊索和脊椎骨是澄江动物群非常重要的发现,因为在海口鱼、昆明鱼、钟健鱼等鱼形动物身体中不仅发现了重要的脊索,而且其周围形成了按节排列的软骨型原始脊椎,强化了中轴构造对躯体的支撑作用。这表明,脊椎骨不仅为中枢神经提供了保护,而且为脊椎动物巨型化和活动能力的提升开拓了新的演化空间。因此,脊椎的出现担当起了地球生物界不同凡响的演化重任,从此动物界开启了脊梁骨演化之路,引发了古生代鱼类、两栖类,中生代爬行类和新生代哺乳类的诞生和繁盛,直至人类的崛起和文明世界的诞生。

  鳃裂是新陈代谢的标志,是动物取食和呼吸的重大改进和创新。古虫动物门拥有了5对后口动物独有的咽腔型鳃裂这一关键性创新构造,与半索动物、棘皮动物和脊索动物共同组成一个独特的超级自然类群。

  因此,寒武纪生命大爆发是动物器官大创造的时代,以澄江生物群和清江生物群为代表的一系列重要器官的出现意义重大,影响延续至今。

  是什么导致了寒武纪生物器官的系列涌现呢?今年南京古生物研究所的科研人员和英、俄两国古生物学者组成的团队,通过对西伯利亚寒武纪早期碳酸盐岩地层的碳、硫同位素研究,揭示了大气和海洋的氧气含量控制着寒武纪大爆发的过程。即在寒武纪早期距今5.24亿年至5.14亿年之间的一千万年时间内,也就是寒武纪大爆发的高峰时期,海水碳和硫同位素值发生的同步波动的次数和幅度,与动物化石多样性变化的次数和幅度在时间上高度吻合。这表明大气氧含量的上升是引发寒武纪生命大爆发的关键因素。正是氧含量的提高促使了生物机能的改善,使生物足以产生骨骼来获得进一步演化,并伴随着动物身体形态的革新,其内部神经器官等也进化到了新的阶段。

  有趣的是,动物的眼睛等器官似乎是在寒武纪大爆发中“突然”出现的,这是为什么呢?科学家推测,在寒武纪的海洋中,生物种类剧增,使动物们感受到了强烈的生存竞争和捕食压力。为了生存,它们搞起了“军备竞赛”,各类器官不断进化,眼睛、脊椎、鳃裂等重要而敏感的器官,自然而然便应运而生了。事实表明,优先获得眼睛等器官的动物演化尤其迅速,它们的物种多样性和数量都有显著增加。

生物登陆中的创造

  在中古生代,距今大约4亿年前,由于全球海平面下降,原先大范围的浅海台地全部暴露出来成为陆地,使得原先生活在这些地区的植物面临着巨大的挑战。更重要的是,在这样的新环境和地理背景下,植物界的演化出现了重大变革,早期维管植物应运而生。

  尽管生物登陆原因复杂,但毫无疑问,海陆环境的巨大变迁,促使维管植物登陆。维管植物具有了输导束或维管束、孢子囊和三缝孢、角质层和气孔,因而满足了植物在陆地长期生存所必须发育的支撑植物体的支持系统,输送水分、养分的运输系统和脱离水体独立繁殖、呼吸以及防止水分蒸发的器官。当植物具备了保持水分的新本领后,开始向远离水分的内陆地区“进军”。此后几千万年,早期陆生植物开始分化并占领了广阔的陆地,初步构建起了陆地生态系统。

  食物链的诱导效应,也使动物界产生了连锁反应。海洋中的无脊椎动物,如蝎子等小型节肢动物随后登上了陆地,成为无脊椎动物登陆的先锋。

  鱼类也迫不及待地尝试着登陆。早先,颌的出现使鱼的捕食方式从滤食和寄生进化到主动捕食,使有颌鱼类在整个演化链上有了更多选择权,适应更多生活方式。硬骨鱼类中有一类肉鳍鱼类,肉鳍的内骨骼对支撑鱼类身体,为其登上陆地提供了非常重要的基础。内鼻孔结构的出现成功地沟通了外鼻孔,使外部空气顺利地进入肺部,保证了动物登上陆地对氧气的需求。现在包括人类在内的所有四足动物都用肺来呼吸。另外,一些与陆地生存相适应的其他结构如中耳,也逐渐演化出来了。

  科学家复原的鱼石螈运动景象是十分有趣的,它还是介于鱼类与四足动物之间的过渡类型,仅仅靠着一对前肢使劲地几乎是跳跃状地向前爬行,其尾巴仍是鱼形。伴随着从鱼到四足动物的演化,两栖类动物终于脱颖而出,在晚古生代盛极一时,成为一支非常重要的力量。

  当一枚还有些软塌塌的羊膜卵出现时,生物演化进入了新的阶段。羊膜卵如同植物中的维管束,具有保持水分和提供营养的特殊功效,并且成为了繁殖后代的空间。它使动物界真正拥有了掌握水分的本领,从此,动物尾随植物,开始遍布世界各地。爬行类、鸟类、哺乳类无不是羊膜动物,中生代和新生代成为了羊膜动物一统天下的时代,只是羊膜动物经历了从卵生到胎生的演变。

生物飞天中的创造

  昆虫是最早获得飞行能力的动物,也是唯一具有飞行能力的无脊椎动物。昆虫具六足,行Z字形运动轨迹,拥有超强的跳跃能力,能在高速运动中急停和急转弯;复眼起着快速飞行时精确定位自身位置和确定飞行速度的作用;两对翅膀,大部分是由极薄的和具有弹性的表皮细胞构成的“膜”,并由总体呈纵向排列的脉管支撑。

  翼龙为了适应飞翔,头骨多孔,骨骼纤细、中空且轻巧,胸骨及其龙骨突发达。但是最为“抢眼”的还是其高度特化的前肢;它的第四指加长变粗成为飞行翼指,由四节翼指骨组成,与前肢共同构成飞行翼的前肢,支撑并连接着身侧和后肢,形成具飞行功能的翼膜。

  鸟类拥有的各种器官,包括眼睛、嘴部、胸骨、前肢(翅膀)、尾骨、羽毛、三大系统(呼吸系统、循环系统、消化系统)等,均是为了适应飞行而呈现出的特化。这些不同身体结构的相互协调,使鸟类成为任何靠自身器官飞行的动物都无法超越的最成功飞行者,鸟儿可以横跨海洋、沙漠和整个大陆,从赤道到两极、从雨林到荒漠、从高山到海洋。

  蝙蝠属于哺乳类中最成功的飞行者,它的前肢演化成了具有飞行能力的翅膀,翅膀由延长的指骨、掌骨、腕骨、尺桡骨、肱骨、身体侧面及其后肢支撑的柔软的、几乎裸露的薄皮肤翼膜构成。蝙蝠的本领还在于能够在漆黑的夜晚飞行时,及时避开障碍物并准确地捕获到猎物。不过,也有一些蝙蝠靠嗅觉和视力寻找食物,个头较大的果蝠尤其如此。

生物由陆返海中的创造

  在中生代出现了演化史上令人匪夷所思的一幕——脊椎动物历经了上亿年,才千辛万苦地进军到陆地上,竟在短短几十万年中又义无反顾地重返海洋。一些爬行动物在距今2.46亿年时开始进军海洋,去猎食那里丰盛的海生生物。

  陆生爬行类回到海中求生并非易事。它们为何能在海洋中繁殖生存,并成为海洋新的霸主?其奥妙就在于形成了新颖的繁殖方式,即通过卵胎生,使生命在海洋中不断延续。所谓卵胎生是指动物产卵在母体内,卵发育成新的个体后才产出母体的生殖方式。这是动物对不良环境的长期适应形成的繁殖方式,显示了生命的顽强和奇妙,以及对自然有着强烈的适应性变化。爬行类没有鳃不能像鱼类那样在水中呼吸,而只能不时地浮出水面进行呼吸。为了适应水中活动,爬行类只能在脚上长蹼,以便划水前行。鱼龙则进化成鱼形、四肢变成鳍。

  到了新生代,在距今6000万年前后,陆生的哺乳动物再次开创了由陆到海的演化壮举。可能也是为了避开当时干旱气候或到海洋寻找更多的食物,鲸类和海豚类竟也义无反顾地由陆地返回了大海。它们不仅能在海洋中产子,而且还能在海洋中哺乳。这充分说明生物的适应能力非常强大。

  总之,在漫长的生命演化过程中,当地球环境发生重大变化,生物界面临重要困境,呈现关键的转折时期,生物为了生存与适应,拓展新的生态领域,总是以改变自身生物体制和创造新颖器官,来响应自然界的变化,成为最终融入新的自然环境的新一代优势生物类型。从无脊椎动物到鱼类,从鱼类到两栖类、爬行类和哺乳类直至人类,无不体现了生物自身的变革和潜能的发挥,在演化上所产生的重要影响和结果。

  当今人类正面临地球环境的巨大挑战,尤其是人类活动带来的各种环境污染、极端气候灾难、生物多样性减少和能源枯竭等问题。我们不仅要大力发展科技,采用绿色环保生产方式,开创新颖生活方式,也要从地球生命史上的无数生物所创造的奇迹中获得灵感和智慧,创造我们的新生活。

  (作者系中国科学院南京地质古生物研究所研究员)

来源:2019年5月29日出版的《环球》杂志 第11期

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