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鱼原来是这样进化成人的!(人是怎么得到双腿的)--[灌水乐园]

2006-02-15 12:49  来源:医学教育网    打印 | 收藏 |
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 地球上的生命有太多的故事,而其中最令人难以置信的,却是有关我们如何得到双腿的故事。科学家相信,很久很久以前,有一条鱼登上了陆地,长出脚,开始走路。这是生命史上最重大的事件之一——因为那条鱼正是我们人类的祖先。不过,那条鱼是怎样长出脚的,又为什么要长出脚呢。一个多世纪以来,哪怕最优秀的科学家也无法回答这个问题。他们倒是有一个向导,就是进化论的创始人——查尔斯·达尔文。达尔文说过,答案就躺在岩石堆里。在某个地方,一定可以找到某些化石,而这些化石能说明一切。于是,古生物学家走遍了世界,只是为了找到它们。不幸的是,这么古老的化石实在是太少太少了。   四足动物的故事   科学家找得越久越多,就越意识到有一种重要的化石不见了,这成为对整个进化论的一大挑战。而有关我们是如何获得双脚的故事,也就变成了对“终极失落化石”的追寻。早在150年前,这种连续不断的追寻便开始了,起因仅仅是一项简单的观察结果:好大一群看似无关的动物,其实都是相关的——它们都有四肢,所以它们被统称为四足动物。   人是四足动物,因为人有两只手、两只脚,猫、狗、马很明显也是四足动物,事实上,所有哺乳动物都是四足动物。鸟、青蛙、蜥蜴,甚至没有脚的蛇,和看似没有脚的鲸,也都是四足动物。所有四足动物,无论各自看上去多么千差万别,其表皮下面的结构却基本相同。对这一事实,科学家也感到迷惑。恐龙有脊骨,人也有脊骨,四足动物都有脊骨;也都有盆骨连接在脊椎上,用来支撑体重;同样都有胸廓,用来保护心脏和肺。四足动物都通过鼻孔呼吸空气,其四肢的顶端都由一根骨头组成,下面则都有一对骨头伸向手或脚,而且手指或脚趾看来从未超过5根。不仅恐龙和人是这样,就连鲸也是如此,在鲸的鳍状肢下面,照样有5 根指头。这种相似性使科学家相信,所有四足动物一定都来自于一种共同的祖先。为证明这一点,他们认为只需要两种化石。首先,需要最早登上陆地行走、而且是用4只脚、并且每只脚都有5根脚趾头的四足动物;其次,需要最早长出脚的鱼,正是这种鱼变成了最早登陆行走的四足动物。找到这两种动物的化石,对它们进行比较,找出它们之间的区别,就可知道鱼为什么会长出脚来。   有一条重要线索引导科学家进行探寻,那就是这一进化很可能发生在4亿年前的泥盆纪。可是,泥盆纪离现在如此之久远,以至于连那个时代的石头如今也难觅踪迹,更不用说什么化石了。但是,科学家知道,在泥盆纪以前,陆地上没有行走的动物,而在泥盆纪以后,陆地上到处都是行走的动物,因此四肢的进化一定是在那时发生的。教科书上说,泥盆纪可真是酷热难耐的时期,几乎没有什么生物能在陆地上存活,连植物也不例外。那时的陆地可真是一片贫瘠、空荡的荒野,了无生机。这就是说,当时地球上的绝大多数生物只能呆在水中。这是鱼的时代,其中的一条鱼——最早长出脚的鱼——的化石,就是科学家们需要找到的第二种化石。可以说,人也是一条鱼,准确一点,从鱼进化而来。   找到祖先了吗   寻找那条鱼的化石好像并不难。到19世纪快要结束的时候,科学家的目光都集中在了一类鱼的身上,它们就是生活在泥盆纪的圆鳍类。   圆鳍类的鳍里有着独一无二的骨结构,似乎是人类大腿和手臂的前身。尤其是其中一种圆鳍类——早已绝迹了的掌鳍鱼,更是具备所有的腿骨,只是缺少脚和趾。于是,科学家们认为这条鱼正是我们所有人的祖先,是我们没有四肢的祖先。   20世纪初期,有学者提出了一种理论,用来解释这条鱼为何会进化出腿来,并开始行走。那个残暴的泥盆纪太阳,一定是大旱的根源。原本生活得自由自在的鱼儿们,一下子被困在了日益干涸的水塘里,直面死神。为了活下来,一些掌鳍鱼不得不逃离水坑,寻找深水区。于是,就像现在的跳跳鱼一样,掌鳍鱼拖着自己的鳍,勉强“走”上了陆地。其中一些掌鳍鱼开始在陆地上演化,它们的鳍变成了四肢,并且长出5根手指和5根脚趾,从而开始行走。这样,它们就变成了四足动物,成为我们的祖先。它们之所以会长出四肢,是因为只有这样,它们才能做我们都会做的事:在陆地上行走。“水塘干涸”理论看来便解释了一切——我们为何会长出四肢,以及我们是从什么动物进化而来的。要想证实这一理论,只需找到地球上最早出现的那种四足动物——那种鱼一登上陆地便演化而成的动物,即前面所说的第一种化石。如果正如科学家预料,这种动物恰有5根手指和5根脚趾,那么便大功告成了。为此,许多科学家多年来一直在努力寻找这种神秘的动物化石,却未能找到。   要想见到露出地面的泥盆纪岩层,只有到世界上为数不多的几个地方去,其中之一是格陵兰。于是在20世纪30年代,一组瑞典科学家多次造访了此处,其任务正是寻找第一种有腿的动物。在这组专家中,寡言少语、固执己见、在整个古生物学界都最不招人爱的埃里克·贾维克,却找到了人们梦寐以求的东西 ——最早长出腿脚(而不是鳍)的动物。贾维克把它称作鱼石螈。   从达尔文时代之后的1859年开始,人们就一直在寻找这种意义重大的动物,而今终于找到了,这当然令整个古生物学界欢欣鼓舞。现在贾维克所要做的,就是尽可能地重建这种古怪动物的解剖结构。这一切当然需要较长的时间,尽管贾维克是一名非常出色的解剖学家,而且自1948年就已开始工作,却直到 1996年才完成基本分析。其间他完成了两篇论文,证实了现行的理论。贾维克说,鱼石螈确实是一种在陆地上行走的四足动物,它有5根手指和5根脚趾。由此,我们为何会有手脚这个谜便得到了回答:当掌鳍鱼拖着鳍挣扎登陆之后,它便演化成为最早的四足动物——鱼石螈。这与科学家的预测完全一致。   但立即有人指出,贾维克的说法有很大漏洞,鱼石螈很可能不是直接从掌鳍鱼进化来的,因为二者之间差异太大。鱼石螈是完全成形的四足动物,也就是说它有胸廓,盆骨连接在脊骨上,肢体上有指头和趾头。而掌鳍鱼仍然是鱼,尽管它已有原始的腿骨,却未显示出多少向四足动物进化的其他特征。这就意味着,必须找到一种“中间动物”,它能显示从鱼向四足动物的转变的确发生过。因此,这种“中间动物”应该既能行走,又是一半像鱼、一半像四足动物的动物。“中间动物”也就是达尔文所称的“过渡形式”。“过渡形式”正是进化理论的核心,因为它们表明一种动物能够变异成另一种动物。当环境条件发生剧变时,进化过程中就会出现“过渡形式”。那些不能适应新环境的动物会灭绝,但偶然的变异最终往往是保证存活的关键。随着一群古怪的变异动物在新环境中挣扎求生,其中大多数会很快消亡,只有少数将变成“过渡形式”动物,即半像旧动物、半像新动物的“中间动物”,而新动物将完全摒弃旧的生活方式。“过渡形式”的化石,因此成为所有物种演化中最重要的化石。   发现活“恐龙”   不过,“过渡形式”同时也是最罕见的动物种类。从它们的性质不难看出,它们不仅数量很少,而且又只生活在一个非常短暂的过渡时期,当全新的动物演化出来之后,“过渡形式”即彻底消失。事实上,多年来只有一种被认为是“过渡形式”的动物——始祖鸟,它被一些科学家认为是有羽毛的恐龙,标志着恐龙向鸟的过渡。推测起来,“过渡形式”会很快被其自己的、更发达的后代所取代,这种“过渡插曲”在生命演化史中相当短暂,参与过渡的物种数量及每个物种的个体数量,看来都相对很少。   而麻烦在于,如果在掌鳍鱼和鱼石螈之间找不到半鱼半四足动物这一“过渡形式”,就无法透彻解释我们为什么会长出腿脚。   如果科学不能确凿地说明鱼如何进化成四足动物,神创论者便振振有词。西方一名身为博物馆馆长的神创论者说:现在的化石数量,该比达尔文时代多出许多了吧?光我们博物馆就有差不多257块不同种的化石。如果进化论没错,其中总该有哪怕几块“中间动物”的化石吧?可为什么一块也没有?恰恰相反,每种动物看来都非常成形,没有祖先,也没有“过渡形式”。据此,神创论者更坚持说,世界是按照神的旨意,在6天时间内创造出来的,所有动物当然也是由神创造的,所谓“进化”是根本不存在的。科学家也认为,尽管“过渡形式”数量稀少,存活时间又短,成为化石的机会也很少,但是如果连一块这种化石也找不到,那么神创论对科学的挑战就将继续下去。于是,古生物学家铁了心,一定要找到鱼和我们最早的祖先之间的“过渡形式”。   1938年,就在这一年的圣诞节前夕,南非东伦敦博物馆的管理员、31岁的梅约丽女士,来到当地码头边撒网捕鱼。一网鱼上来,其中一条她从未见过的怪鱼引起了她的注意。这条丑陋的鱼长约1.5米,体色是金、银、蓝、绿错杂,还有白色的斑点。最令她吃惊的是,这条鱼的鳍简直与众不同。她立即把鱼带回博物馆,作了防腐处理,接着请另一名南非专家辨认这条鱼。这名老专家见了鱼后惊呼:“哎呀,小姑娘!这可是全世界的头条新闻哩,它是一条腔棘鱼!”要知道,腔棘鱼是生活于泥盆纪的一种圆鳍类,人们以为它早在7600万年前就已灭绝了哩!而今发现它竟然还活着,就好比找到了一头活体恐龙或一只活的始祖鸟。当时的整个科学界,理所当然地惊呆了。此后的好几十年里,腔棘鱼一直被认为是鱼和四足动物之间的“过渡形式”。不过,当时无人对它有足够了解,人们只把它当成是一种活化石。发现第一条腔棘鱼后的第13年,终于找到了第二条活的腔棘鱼。结果却令人大失所望:它并不会用鳍行走,而只会游泳,也就是说,它只是一条鱼,而不是“过渡形式”或“中间动物”。   手指七八根   又是30年过去了,依然没有找到“过渡形式”,也就是没有找到用鳍行走、并最终进化成我们有脚的最早祖先的鱼。一直到了1981年,古生物学的“复仇天使”终于降临了。这一年,金妮·克兰克完成了她的毕业论文,来到英国剑桥大学动物学博物馆工作。金妮一直梦想着能加入到探索“我们为何会长出脚”之谜的队伍中,正在这时,一位同事对她说:别担心,机会马上就到。这位同事带来了一本学生笔记,是一名学地质的学生写的,他曾于1970年去过格陵兰。他写到,尽管他了解岩石,很不了解化石,却在格陵兰的山上发现了大量鱼石螈化石。虽然他语焉不详,但却好似一声惊雷。要知道,当时世界上仅存由贾维克找到的鱼石螈化石。金妮当即决定去一趟格陵兰。到达目的地之后的两星期过去了,仍未找到那位学生描述的地方。正当金妮开始认为自己可能找错了地方时,却出现了惊喜——吹开覆盖的尘土,她看见了一副头骨的一部分。   金妮找到的并不是鱼和四足动物之间的“过渡形式”,但同样是罕见的发现。这是另一种泥盆纪的四足动物,叫作刺棘螈。刺棘螈与贾维克的发现不同,但明显来自同一祖先,因而也与人类相关。刺棘螈是迄今为止发现的第二种泥盆纪四足动物。金妮带了十多块刺棘螈化石回剑桥,但直到1990年,这趟旅行的真正重要性才浮现出来。当时,金妮的一名同事开始分析金妮已放弃的刺棘螈化石样本。当他准备从岩石中挖出刺棘螈的“手”时,他想一定会找到5根手指。令他大吃一惊的是,他最终找到的手指不是5根,而是   8根!再进一步核实,没错,刺棘螈的一只手上真有8根指头!这就是说,所有教科书上都写错了——因为最早的四足动物根本不止有5根手指!这立即引出另一个疑问:如果连100年来探寻背后的最基本假设都不正确,那么其他还会有错吗?   科学家现在相信,我们最早长出脚的祖先一定会有多根指(趾)头。经过漫长的进化过程,最终减少到5根。由此看来,另一个基本假设——脚进化出来的最初目的就是为了方便行走,也可能不成立。观察刺棘螈的肢体可以看出,与其说它的肢体像用来承重、走路的,还不如说更像用来划水的。这就意味着我们的脚之所以会进化出来,最初可能与在地上行走毫无关系。   金妮从格陵兰带回的化石也包括鱼石螈,也就是贾维克发现的四足动物。在对刺棘螈的分析改变了一切旧认识之后,金妮自然想到了再数一数鱼石螈的趾头数量。结果发现,鱼石螈有了根趾头,而不是贾维克所说的5根。不仅如此,与贾维克说的不同,鱼石螈的脚也不是用来行走,而是像桨一样划水。此时贾维克已过世3年,是不是他当时弄错了?或者是不是他故意作假?无人知晓。金妮的发现意味着,有关“我们为何长出、又如何长出四肢”的科学探索,必须全部重头再来。现在,科学家需要的就不仅是从鱼向四足动物的“过渡形式”——尽管这个“过渡形式”仍未找到,同时他们还得重新回答:“我们为何会长出四肢”。为什么会有动物需要脚,而脚又不是用来走路?   原来是这样   终于在美国宾夕法尼亚州的雷诺沃山谷,科学家找到了答案。在山谷密林之下,是一片泥盆纪的红色砂岩。1993年,一个孤独的“化石猎手”来到这里,他就是美国费城自然科学院的戴斯齐勒博士,他因在雷诺沃山谷发现了两种新的泥盆纪四足动物,而一举成名。其实,真正把他和雷诺沃山谷载入“化石狩猎”传奇的,却是他对这里独特地貌的分析。在所有红色岩石中间,都有一个宽阔的绿色岩层。它们是什么呢?是植物化石,是埋在了岩石中的绿色植物。把泥盆纪四足动物和植物化石放在一起,戴斯齐勒就有了突破性的重大发现。这样,科学家能第一次重建最早的四足动物发展演化所在的真正环境。结果表明,泥盆纪的地球陆地并非教科书上所写的荒野一片,没有一棵草或树,恰恰相反,那时的陆地更像雨林,不仅有似蕨类的植物,而且有30米高的参天大树,植物种类繁多,堪称一个复杂的生态环境。   教科书又一次错了。地球也许曾一度荒芜,但到了泥盆纪末期,地表已变得异常湿润,森林茂密,大河长流。大河与陆地之间,又分布着全新的生态环境:沼泽湿地。最早的四足动物,正是在这种全新的生态系统中进化出来的。事实上,正是沼泽湿地激发了重要的进化过程。至泥盆纪快要结束时,地球上的动植物第一次以一种重要而永恒的方式生活在了陆地上,许许多多开放的小生境正等待它们去开发。这些小生境正是这个水世界的边缘。在缠结交错的植被中,拥有肢体和指(趾)头,使四足动物比鱼更具有独特的优势。四足动物的鳍状肢体,很可能是被用来方便在诸如沼泽湿地的复杂环境中移动身体。比如,沼泽湿地中有树枝垂下来,四足动物借助树枝,就能更好地觅食或逃生。戴斯齐勒还找到了泥盆纪的一种巨型圆鳍鱼化石,它们是可怕的掠食者。这种鱼长达3米左右,对早期四足动物来说,躲避它是重要的求生手段之一。这样,“我们为何会长出四肢”之谜终于解开了。肢体的最早出现不是为了行走,而是为了在沼泽湿地之间移动,就像现在的北美洲大儿鱼、火蜥蜴一样。然而,还有一个谜仍没有答案:从鱼向四足动物的转变究竟发生过没有?如果发生过,那么半鱼半四足动物这种“过渡形式”到底在哪里?只有回答了这个问题,神创论才能被彻底驳倒。   为了找到半鱼半四足动物,曾与金妮同去格陵兰的学生伯·阿博格(如今是他是伦敦自然博物馆研究员)随后开始进行全球性寻访。2000年,他来到了东欧拉脱维亚一家很不起眼的博物馆。在这里,年轻的古生物学家阿博格博士随机抽取化石样本。放样本的一个个抽屉已经30年没人动过了,不过,由于找了这么多年也没找到半鱼半四足的“中间动物”,所以阿博格并未指望这次能有什么意外收获。不料,奇迹出现了。在一个抽屉中,阿博格发现了在世界其他任何地方都未曾见过的动物化石。他的专业眼光告诉自己,这块仅有几厘米长的颚化石正是人们梦寐以求的“过渡形式”——半鱼半四足动物。通过对比分析,他证明了自己的判断。证明方法是:把能够区别鱼和四足动物的解剖结构特点输入电脑,其中一些区别很明显,比如化石样本是有肢体,还是有鳍;另一些区别则很微妙,比如血管或骨头的位置。这些微小的细节,能使科学家从哪怕一小块化石片上辨认出它是什么动物,并把它放在其他相关动物的进化枝上。结果,圆鳍鱼的颚骨在一边,泥盆纪四足动物的颚在另一边,拉脱维亚半鱼半四足动物的颚恰好在两者中间。尽管是绝无仅有的证据,它却证明了由鱼向四是动物的演变确确实实发生过。这一发现自然轰动了世界。这一“过渡形式”动物还有一个奇怪之处:它有7排牙齿,这与任何已知的其他动物都不同。这一点暗示,发生从鱼向四足动物变异的“过渡形式”不止有一种,但其中只有一种最终成为人类的祖先。   至此,一个长达3.6亿年的谜终于彻底解开了,它就是达尔文关于人是怎样长出双脚的理论。简而言之,陆地和水中的植物在圆鳍鱼中引起了变异大爆发,其中最成功、最经得起时间考验的变异者,长出了肢体和肢体上的指(趾)头。在这个森林、大河旁点缀着沼泽湿地的新世界里,一种全新形式的生命诞生了,因为沼泽湿地模糊了在水中和不在水中的界限。正是从这些沼泽湿地,我们最早的祖先开始爬上了陆地。这一过程并非是预先注定的,而是一系列偶发的进化事件,但它确实发生了。就这样,那种动物的子孙后代最终继承了地球,而这个不知是第多少代的后代,正是你、我、他、她——是我们人类。
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