令人震撼的十一次生命大飞跃

中科院地质地球所 2020-05-28 11:07 36187

人生旅程漫长,但关键的只有几步。

同样,地球生命虽有超过35亿年的进化史,

但成就今日大千世界的,

关键在于进化历程中的这几次重大飞跃。

1

昆明鱼有脊椎、头和眼睛

▲昆明鱼复原图

从生命起源到人类出现,生物的漫长历史过程中曾经有过多次巨大飞跃。

其中,生命的起源一直是科学家们苦苦追寻的一道难题,它往往因为缺乏可靠的早期生命化石形态学证据而成为难解之谜。

达尔文在撰写《物种起源》时,寒武纪地层突然出现了结构非常复杂的三叶虫化石的事实让他感到非常头疼,因为在当时还没有发现任何寒武纪之前的动物化石记录。

而舒德干院士等人的研究表明,脊椎动物在早寒武世就已经开始分化了,地球上的第一条鱼也因此被发现了。

▲昆明鱼复原图

昆明鱼是已知最古老的脊椎动物,在5亿3千万年前寒武纪的地层被发现。

它是比较原始的无颌鱼类,表皮无骨骼和鳞片,身体呈纺锤型,可分为头部和躯干部两部分。它的外观像现今的盲鳗纲,长约2.8厘米,高约6毫米,迄今已知的地球生命出现早期的最高等动物化石。

昆明鱼的发现,不仅将包括人类在内的整个脊椎动物演化史向前推进了5000万年,而且改写并完善了脊椎动物早期演化理论。

2

初始全颌鱼有颌骨,主动捕食

如今的生物圈,颌骨无处不在,可是在进化史上颌骨是另外一个巨大的飞跃。从进化角度而言,人类的颌骨构造,可追溯到这位“鱼类老祖宗”。

▲初始全颌鱼复原图

由中科院古脊椎动物与古人类研究所朱敏研究员领衔的国际科研团队,在云南省古老的志留纪地层中发现了一件保存完好的古鱼化石,将其命名为“初始全颌鱼“。

全颌鱼生活在距今4.2亿年前冈瓦纳大陆北缘的近岸水域中,体长约20厘米,身体扁平、眼睛很小。它们在水底笨拙地游来游去,靠藻类、水母和生物碎屑等柔软的食物为生。

这一发现拾起了进化中“失落的一环“,弥补了从无颌到有颌的进化过程中的缺失环节,揭开了颌骨起源的奥秘,还原了人类面部骨骼四亿多年前最早出现时的样子。

这个结构性的变化确保了鱼类的生存、演化,同时,经过许多变化后延续至今,流传给了成千上万的物种,包括现在的我们。

有了颌骨,捕食行为便开始了,这是进化中最强大的动力。随着捕食行为的升级,动物的进化历程也在提速。

3

鱼石螈长出四足,爬行登陆

登陆是生命演化史中的一件大事,它改变了地球的整个面貌,造就了现代的动植物区系。

在泥盆纪晚期至石炭纪早期,由于生存环境的变化,地球生物开始从水生向陆生演化。

作为试图登上陆地的第一批脊椎动物,它们都是大自然的试验品,大多数很可能悲惨地死去了,但是,那些在陆地上进化出新的生活方式的个体及其后代们,它们从此开创了全新的陆地生存空间,摆脱了水域对脊椎动物的限制,为向更高级的进化方向前进。

▲鱼石螈复原图

到目前为止,科学家发现的这种最早登上陆地的脊椎动物是一种叫做“鱼石螈”的原始两栖动物,也是最早的四足动物。

鱼石螈身体上的骨骼特征表现出了两栖类和鱼类的奇妙组合,脊椎骨比肉鳍鱼类稍有进步,但是尾巴上却依然保留着像鱼尾一样的鳍条。

强壮的肩带、腰带以及发育完全的前后肢,表明鱼石螈已经完全可以靠四肢在地面上各处走动了。

这些不太强壮的四肢,最终演化成了我们的手和脚。

4

始祖单弓兽产羊膜卵,征服陆地

在登陆后,动物们面临着一系列新的问题,例如,没有了浮力,必须要由自身支撑体重并完成生存活动;要学会呼吸空气中的氧气;要防止体内水分的过度蒸发;还有一点很重要,就是要学会在陆地上繁殖。

为了征服陆地,爬行动物在进化过程中有了羊膜卵结构,使爬行动物在陆地上繁殖成为可能,从而在根本上摆脱了对水环境的依赖。

羊膜卵外包被着坚韧的卵壳,能够防止卵的变形、损伤和水分的蒸发。卵内丰富的卵黄能够为胚胎发育提供充足的营养。

▲始祖单弓兽复原图

生存于3亿2000万年的石炭纪晚期的始祖单弓兽,是所有单弓动物的祖先,包括哺乳类。

不像林蜥与它们的同类,始祖单弓兽体型较大,身长50厘米。始祖单弓兽生存于3亿2000万年前的新斯科细亚,始祖单弓兽与其他早期羊膜动物居住于森林地表。

始祖单弓兽的子孙在二叠纪繁荣兴旺,和蜥形纲相比,它们的咬合肌更加强劲,牙齿也出现了形态和功能的分化。摄食能力的优势很快转化为体型和数量的优势,在争霸战的第一回合,兽族取得了压倒性的胜利。

5

始盗龙后肢行走,前肢捕食

▲始盗龙复原图

始盗龙又叫晓掠龙,被认为是目前已发现的恐龙中最原始的恐龙。1993年,始盗龙发现于南美洲阿根廷西北部一处极其荒芜不毛之地——伊斯巨拉斯托盆地,该地属于三叠纪晚期地层,代表了恐龙时代的黎明。

有科学家认为,始盗龙所具有的各种特征表明,很有可能是所有恐龙的祖先。

始盗龙是小型肉食动物,能够两足行走,但也很有可能时不时“手脚并用“。始盗龙这种超小型恐龙,成长后约1米长,重量估计约10公斤。

它是趾行动物,以后肢支撑身体。它的前肢只是后肢长度的一半,而每只手都有五指。

始盗龙能够快速的短跑,当捕捉猎物后,会用指爪及牙齿撕开猎物。始盗龙锯齿状的牙齿证明它们可能是肉食性恐龙。

▲始盗龙与人类体型对比

6

热河鸟长有羽毛,体温恒定

▲热河鸟复原图

1861年,始祖鸟发现之初,就因其同时具有进步的鸟类羽毛和像爬行动物一样的尾巴而令世人震惊,成为爬行动物向鸟类过渡的重要证据,并且为当时年轻的进化学术提供了重要的佐证。

热河鸟的发现,为鸟类起源于恐龙的假说增添了最新的证据。热河鸟虽然时代比始祖鸟要晚,而且总体特征也更加进步,但是它的尾椎骨骼却更加原始,体现在具有更加发育的脉弧和加长的关节突起,这些特征恰恰和奔龙类恐龙十分相似,表明鸟类和这一类恐龙具有十分密切的关系。

此外,热河鸟的第二脚爪也特别发育,这一特征也和其它鸟类不同,但是却和奔龙类、伤齿龙等小型兽脚类恐龙相似。

近几年来,在我国的辽西朝阳地区曾陆续发现了许多重要的带羽毛的恐龙化石,是支持鸟类起源于恐龙学说的重要依据。热河鸟的发现,则首次从鸟类化石的方面给这一假说提供了支持。

▲热河鸟化石

中国古脊椎和古人类研究所的古鸟类学专家周忠和教授说:“这件化石意义很不一般,它是我国境内迄今所发现的最原始的一种鸟类。”

在已发现的鸟类中,其原始性仅次于始祖鸟,但它的尾椎的数量甚至比始祖鸟还多,是恐龙向鸟类演化的一种重要过渡类型,对研究早期鸟类飞行和鸟类羽毛的早期演化过程十分关键。

热河鸟的发现,最重要的意义在于增加了我们对早白垩纪鸟类的生态多样性的了解。

7

摩尔根兽体温恒定,卵生哺乳

在恐龙经历扩张和多样化的同时,第一批哺乳动物也在进化,它们被记录在了英国南威尔士三叠纪地层中。

早期的哺乳动物,体型都比较小,有点像鼩鼱(qú jīng),可能只在夜间活动。这些特征或许促使了它们进化成为温血动物,拥有了维持恒定体温的能力。

摩尔根兽是地球上最早的哺乳动物的代表。

▲摩尔根兽复原图

摩尔根兽的牙齿是哺乳动物类型的,有小的门齿,单个的、大而锐利的犬齿,以及有两个齿根、上表面有许多齿尖的前臼齿和臼齿。这些齿尖沿着牙齿的中轴或多或少地排列在一条线上。

随后时代中经过“漫漫长夜“发展起来的整个哺乳动物大家族,都是在摩尔根兽这样的身体特征的基础上一步步分化、演变出来的。从这个意义上说,摩尔根兽代表了包括我们人类在内的整个哺乳动物大家族的祖先类型。

8

卡达巴地猿两足站立,直立行走南方古猿通常被认为是从猿到人转变的第一阶段,但在南方古猿之前的原始人类化石比较稀少且很零碎,所以人类和黑猩猩最后共同祖先之后的亲缘进化关系研究还不是很清楚。

1992年,地猿化石发现于埃塞俄比亚的阿法盆地,学名的含义为生活在地面上的猿,被称为是“最早的人科动物“。

其中早期的种类为卡达巴地猿,晚期的是始祖地猿(也叫拉密达地猿),两者的主要区别是前者的犬齿更接近黑猩猩,后者则更像人类。

▲始祖地猿的骨骼和复原

科学家认为卡达巴地猿是人类分支从黑猩猩分支分裂后的最早动物,其脚趾骨表明其已经可以直立行走,同时又适应于树栖生活。

卡达巴地猿在解剖形态上有着人猿组合特征,也许正是这种介于猿与人之间的过渡物种最终演变成了我们熟知的阿法南方古猿。

9

能人脑容量突增,会制造工具

▲能人复原图

能人于1960年发现于坦桑尼亚西北部的奥杜威河谷。能人与卢多尔夫人一样,同属于最原始的人属水平。头骨壁薄,尾嵴不明显。能人的名字表示“灵巧的人“,是介于南方古猿和猿人的中间类型。

约在150万到250万年前,南方古猿的其中一支进化成能人,最早在非洲东岸出现,也就是所谓的早期猿人,能人意即能制造工具的人,是最早的人属动物。

能人很矮,身高不过144厘米,门齿、犬齿较大,前臼齿比纤细型南方古猿窄,锁骨与现代人相似,手骨和足骨比现代人粗壮,一般来说仍乡旧比较相似,头骨的骨壁薄,眉嵴不明显,脑容量大约为680毫升。

旧石器时代开始,后经过数十万年的演化, 能人最终被直立人所取代而消亡。能人与后代直立人曾共存过一段时间。在非洲发现了最早的石器,叫做奥杜威文化,最初认为属于能人,认为应属于硕壮人。

10

匠人褪去体毛,学会用火

▲人类家族重要成员图

匠人在190万到180万年前从能人的后裔中分离出来,匠人在非洲保持了50万年的稳定,之后化石记录显示他于140万年前消失,关于他的消失现在还未找到明显的原因。

相比直立人,匠人使用更为多样的和先进的石器。匠人很可能最先制造出奥杜威文化的工具,改进之后,又发展出了阿舍利文化的双面斧。

匠人为了捕获猎物,常常需要奔跑,在干旱炎热的非洲,奔跑容易导致体温升高,为了保持恒温,就需要散热,而出汗是最好的散热方式,出汗就需要裸露的皮肤,久而久之,在自然选择的作用下,有些匠人们发生了基因突变,褪去了毛发。

由于性选择的驱使,雌性(或雄性)的匠人更愿意与褪去毛发的雄性(或雌性)匠人交配繁衍后代,这样,褪去毛发的匠人繁衍的后代就会越来越多,而有毛发匠人的后代越来越少,直至有毛发的匠人无后而绝种,脱毛的匠人就会代代延续下去。

最初褪去毛发的匠人的皮肤是白色的,在非洲炽热阳光强紫外线的照射下,为了避免皮肤受到伤害,皮肤的细胞产生了黑色素,黑色素可以防止紫外线对细胞核内的染色体造成伤害,这样慢慢地,褪去毛发匠人的皮肤就变成了黝黑色。

匠人很可能是最早发出人类声音的人科,尽管程度非常有限。根据对“图尔卡纳少年”的研究,他的颈椎远比之后的人类更窄,因此很长一段时间内人们都推测,或许是身体的限制使他们无法发生更复杂的声音。

但以进化得很好的大脑来猜测,他们有可能进行某种形式的语言或符号式交流。

11

智人学会生火,拥有语言

▲早期智人复原图

“智人”,是指会制造工具的人。智人身体的构造与直立人非常接近,但脑容量大得多。

我们现代人都是智人的后代,可以说,现代人之所以都属于一个物种,是因为现代人不同肤色人之间通婚,生育的子女,仍然可以繁育后代。

根据其皮肤的颜色,现代人又分为4个亚种,即黑种人、白种人、黄种人、棕种人。这四个人亚种,都是10多万年前(或5万年前)的晚期智人,走出非洲后迁徙到世界各地,由于各地地理环境和气候的差异,分别形成了不同的人亚种。

智人脑容量已有1300-1600毫升,有较为发达的语言,制造精致的工具,生火取火用火已经运用自如。

智人不仅吃用火烤熟的植物根茎和肉,而且还吃煮熟了的肉和根茎,吃烤熟和煮熟熟的食物,不需要用力咀嚼,久而久之,最里侧臼齿咀嚼食物减少,甚至不再咀嚼食物,这样智人的下颌骨变得小而狭窄,并出现了下巴颏,最里侧的臼齿生长空间受限,甚至不能很好生长。

化石研究证明,只有我们智人有下巴颏,长有智齿,而我们的老祖宗能人、匠人、海德堡人,以及与我们有过混血的尼安德特人和丹尼索瓦人都没有下巴颏。

智人是人科现存的惟一代表,足迹几乎遍布整个地球,可以说是最成功的物种。

12

未来人类生命不息,进化不止

▲未来人类示意图

从遗传学角度来说,进化就是生物的遗传(基因)变异,在自然选择作用下,好的变异积累并遗传下去,不好的变异就会被自然淘汰。也可以说,进化就是适应性变异。

在地球上,只要是有生命的个体,不论大小,不管强弱,要延续下去,要传宗接代,就必须发生变异,就连无性繁殖的细菌,都会发生变异,更何况我们人类。

追根寻源,人类已有四五百万年的历史,经过数百万年的进化,就是基因变异不断积累,突变的过程,人类的脑容量由四五百毫升到1600多毫升,有浑身毛发变得皮肤光滑,由狩猎采集维生到种植养殖和生产维生。

人类的每一次基因变异都是一次巨变,人类的每一次进化都是一次飞跃,如果从最早直立行走的拉密达古猿到我们现在的人类,人类大致经历了五次飞跃性进化,即经历了南方古猿阶段、能人阶段、匠人阶段、海德堡人阶段、直至智人阶段。

人类究竟为什么会发生进化? 这要从生物进化的机制说起。

生物的生长与繁衍就是细胞分裂复制过程,一个婴儿,有六七十万亿个细胞,都是由最初那个受精卵,经过十月怀胎,不断分裂复制的结果。

而细胞的分裂复制,都是会出错的,即使细胞内有纠错的氨基酸,细胞复制的错误率约有10亿分之一,如果细胞复制错误发生在携带人类基因的DNA片段,就是基因变异,就会被人类遗传下去。

而且这种基因变异都是随机的,没有方向性和目的性,所以进化是不可控的,而只有在自然选择的作用下,好的基因变异,就是适应性基因变异才能保留下来。

所以说,未来人类是会发生进化的,而且每时每刻都在发生,永不停息,永无止境,直至永远永远。

总之,进化是一个渐进的过程,也是跃进的过程,是不断创新的过程。生物有无限的变异潜能,人类有无限的创造潜能。生命不息,进化不止。

本文文章内容引自地质出版社

《解密物种起源少年科普丛书》

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