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追尋5億年前的人類(lèi)遠(yuǎn)祖(開(kāi)卷知新)
鳳姣昆明魚(yú)化石及其復(fù)原圖。 |
寒武紀(jì)早期海洋中的“第一魚(yú)”及其左鄰右舍復(fù)原圖。 |
在浩瀚無(wú)垠的宇宙中,像地球這樣“好運(yùn)氣”的星球少之又少:她連續(xù)40億年維持“恰到好處”的液態(tài)水圈和含氧大氣圈,并最終進(jìn)化出人類(lèi)。在漫長(zhǎng)歷史中,人類(lèi)一直在努力探尋自己的源頭,產(chǎn)生了很多神話(huà)與傳說(shuō)。19世紀(jì)中晚期,達(dá)爾文的進(jìn)化論改變了人類(lèi)的自然觀和世界觀,在之后的150多年時(shí)間里,學(xué)術(shù)界依據(jù)進(jìn)化論繼續(xù)追蹤人類(lèi)的由來(lái)。其中,狹義上人類(lèi)祖先由猿到人的完整化石序列已經(jīng)在非洲和亞洲初步確定并被認(rèn)可。再之前呢?人類(lèi)祖先的祖先是什么樣子的?作為古生物學(xué)家,我們希望根據(jù)化石的“蛛絲馬跡”,繼續(xù)向前探源。
從“同源構(gòu)造”追溯生命進(jìn)化過(guò)程
1859年,達(dá)爾文《物種起源》的問(wèn)世改變了人們對(duì)人與自然關(guān)系的認(rèn)知。12年后達(dá)爾文發(fā)表了《人類(lèi)的由來(lái)及性選擇》,詳細(xì)解析了人類(lèi)與較低等脊椎動(dòng)物的形態(tài)解剖學(xué)特征和比較胚胎發(fā)育學(xué)證據(jù)等,最終得出結(jié)論:人類(lèi)與所有其他脊椎動(dòng)物(如魚(yú)類(lèi)、兩棲類(lèi)、爬行類(lèi)和哺乳類(lèi)等)的許多器官都存在共同的來(lái)源即“同源構(gòu)造”,因而人類(lèi)與低等脊椎動(dòng)物具有共同的祖先。當(dāng)然,彼時(shí)達(dá)爾文并不知曉,那些最基礎(chǔ)的同源構(gòu)造是何時(shí)、由哪些早期祖先所顯現(xiàn)的。可喜的是,我國(guó)學(xué)者透過(guò)澄江動(dòng)物群這個(gè)獨(dú)特的科學(xué)窗口,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期探索,找到了關(guān)鍵證據(jù)。
本世紀(jì)初,生物學(xué)家依據(jù)分子遺傳學(xué)信息,由近及遠(yuǎn)地追溯人類(lèi)與地球上所有生物類(lèi)群共享的各代祖先,可以確定下來(lái)的已有40代。根據(jù)DNA信息,人類(lèi)與現(xiàn)代黑猩猩親緣關(guān)系最近,運(yùn)用分子鐘技術(shù)可以計(jì)算出人類(lèi)與黑猩猩在600萬(wàn)年前擁有共同祖先,即第1會(huì)合點(diǎn);再繼續(xù)向前尋祖,在800萬(wàn)年前抵達(dá)第2會(huì)合點(diǎn),即遇見(jiàn)倒數(shù)第2代共祖。以此類(lèi)推,人類(lèi)與包括七鰓鰻在內(nèi)的近親物種抵達(dá)5.2億年前的第22會(huì)合點(diǎn),在那里可以遇見(jiàn)澄江動(dòng)物群的重要發(fā)現(xiàn)——“第一魚(yú)”鳳姣昆明魚(yú)。最終人類(lèi)與地球所有生物能夠共同追溯至40億年前的終極祖先,抵達(dá)第40會(huì)合點(diǎn),那是所有生命共同的祖先——原始真細(xì)菌。這個(gè)尋祖故事聽(tīng)起來(lái)很有趣,但大多缺乏真實(shí)的化石記錄。
然而,在距今5.6億—5.18億年前的大約4200萬(wàn)年間,發(fā)生了整個(gè)生命史上最為壯觀的生物創(chuàng)新事件——寒武紀(jì)大爆發(fā),即在不到地球歷史1%的時(shí)間內(nèi)誕生了90%的動(dòng)物門(mén)類(lèi)。大量的動(dòng)物化石為追溯動(dòng)物進(jìn)化和人類(lèi)遠(yuǎn)祖提供了重要標(biāo)本。前面提到的鳳姣昆明魚(yú),就生活在寒武紀(jì)大爆發(fā)巔峰時(shí)期。
寒武紀(jì)大爆發(fā)后地球進(jìn)入“三極生態(tài)系統(tǒng)”
全球廣布的前寒武紀(jì)末期的埃迪卡拉生物群(約5.6億—5.4億年前)和寒武紀(jì)初期的小殼動(dòng)物群(約5.4億—5.2億年前),以及時(shí)代稍后的我國(guó)云南澄江動(dòng)物群(約5.2億—5.18億年前),構(gòu)成世界三大早期珍稀化石寶庫(kù),為破解寒武紀(jì)的生命大爆發(fā)提供了關(guān)鍵證據(jù)。寒武紀(jì)大爆發(fā)構(gòu)成了地球生態(tài)系統(tǒng)演化的分水嶺:在5.4億年之前,地球生命基本維持在二極生態(tài)系統(tǒng)上,也就是只有生產(chǎn)者藻類(lèi)和分解者細(xì)菌,幾乎見(jiàn)不到真正的消費(fèi)者動(dòng)物;而經(jīng)歷寒武紀(jì)大爆發(fā)短短的幾千萬(wàn)年后,便在澄江動(dòng)物群時(shí)期快速產(chǎn)生了完整的三分動(dòng)物界,從此地球便進(jìn)入了三極生態(tài)系統(tǒng),并一直延續(xù)至今。
寒武紀(jì)大爆發(fā)的本質(zhì)是動(dòng)物門(mén)類(lèi)創(chuàng)新大爆發(fā),并非過(guò)去人們以為的“物種大爆發(fā)”。我們都知道,地球動(dòng)物界包括數(shù)百萬(wàn)個(gè)現(xiàn)存物種,可以歸屬于近40個(gè)門(mén)類(lèi)。所有這些門(mén)類(lèi)通常歸并為3個(gè)亞界:低等的基礎(chǔ)動(dòng)物亞界,包括水母和珊瑚;較為高等的原口動(dòng)物亞界,包括節(jié)肢動(dòng)物門(mén)、軟體動(dòng)物門(mén)等大多數(shù)動(dòng)物門(mén)類(lèi);更高等的后口動(dòng)物亞界,包括大家熟悉的棘皮動(dòng)物門(mén)和脊椎動(dòng)物。根據(jù)研究,在寒武紀(jì)大爆發(fā)期間,20多個(gè)主要?jiǎng)游镩T(mén)類(lèi)分3批快速誕生,由量變到質(zhì)變形成了3個(gè)亞界,構(gòu)成了完整的“第一動(dòng)物樹(shù)”框架。這就是我國(guó)學(xué)者提出并在古生物學(xué)界取得基本共識(shí)的“三幕式寒武紀(jì)爆發(fā)假說(shuō)”。
動(dòng)物門(mén)類(lèi)爆發(fā)的驅(qū)動(dòng)力包括內(nèi)因和外因。內(nèi)因主要是基因的進(jìn)化創(chuàng)新,尤其是同源基因串快速分步成型。每個(gè)動(dòng)物門(mén)類(lèi)的同源基因串中包含的基因數(shù)互不相同。在基礎(chǔ)動(dòng)物亞界的各門(mén)類(lèi)中,同源基因串的基因數(shù)目較少;在原口動(dòng)物亞界的各門(mén)類(lèi)中可增加到10個(gè)左右;而在后口動(dòng)物亞界的各門(mén)類(lèi)中可多達(dá)14個(gè)。同源基因串是控制動(dòng)物胚胎發(fā)育的一串總調(diào)控基因,它決定了各個(gè)動(dòng)物門(mén)類(lèi)形態(tài)構(gòu)造的基本特征。此外,動(dòng)物界內(nèi)部各種捕食等級(jí)快速形成,“大魚(yú)吃小魚(yú),小魚(yú)吃蝦米”,越來(lái)越激烈的捕食競(jìng)爭(zhēng)也會(huì)加快動(dòng)物演化的速率。動(dòng)物門(mén)類(lèi)大爆發(fā)的外因主要得益于約5.2億年前的地球第二次大氧化事件,它使海洋含氧量大幅提升,滿(mǎn)足了大量動(dòng)物生存和繁殖的需要;另外,海洋里的磷和鈣等生命元素大量富集,也進(jìn)一步加劇了動(dòng)物門(mén)類(lèi)爆發(fā)的強(qiáng)度。
具有里程碑意義的“逮住第一魚(yú)”
早在達(dá)爾文創(chuàng)立進(jìn)化論半個(gè)世紀(jì)前,進(jìn)化論早期奠基者拉馬克就提出,動(dòng)物可劃分為脊椎動(dòng)物和無(wú)脊椎動(dòng)物兩個(gè)超級(jí)大家族,而且最低等脊椎動(dòng)物是由無(wú)脊椎動(dòng)物逐步進(jìn)化而來(lái)。200多年來(lái),科學(xué)家一直在苦苦探尋這個(gè)進(jìn)化過(guò)程的真實(shí)證據(jù)。
在澄江動(dòng)物群化石寶庫(kù)中,科學(xué)家獲得了可靠的進(jìn)化證據(jù):古蟲(chóng)動(dòng)物門(mén)首創(chuàng)了原始鰓裂,開(kāi)啟了通向棘皮動(dòng)物、半索動(dòng)物、云南蟲(chóng)和脊索動(dòng)物四大“具鰓裂門(mén)類(lèi)”的呼吸系統(tǒng)革命;緊接著低等脊索動(dòng)物華夏鰻和長(zhǎng)江海鞘,首創(chuàng)了原始脊索及相關(guān)肌肉節(jié),從而啟動(dòng)了運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)革命;最后,“第一魚(yú)”海口魚(yú)和鳳姣昆明魚(yú)的頭腦眼、脊椎骨和心臟構(gòu)造顯示,它們實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)革命,成功完成了新陳代謝大升級(jí)。上述幾次關(guān)鍵器官創(chuàng)造為5億年后的人類(lèi)軀體構(gòu)型奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。特別是“第一魚(yú)”的發(fā)現(xiàn),解決了學(xué)術(shù)界長(zhǎng)期懸而未決的兩大難題:一是宣告地球“第一動(dòng)物樹(shù)”在寒武紀(jì)大爆發(fā)高潮時(shí)已然誕生;二是實(shí)證解決了脊椎動(dòng)物的分步起源問(wèn)題,并認(rèn)識(shí)到了首創(chuàng)頭腦眼和脊椎骨的人類(lèi)始祖真實(shí)樣貌。
寒武紀(jì)大爆發(fā)之后,到人類(lèi)誕生,中間又經(jīng)歷了5次器官改造或改良:第一次,鰓裂的改造,使無(wú)頜類(lèi)演進(jìn)到有頜類(lèi),從而可以主動(dòng)取食;第二次,從偶鰭游泳平衡到四足登陸行走;第三次,從無(wú)羊膜卵到有羊膜卵;第四次,從卵生到胎生、哺乳,長(zhǎng)出毛發(fā);第五次,從四條腿到兩條腿,從哺乳動(dòng)物腦到人腦。5次器官改造是從低等脊椎動(dòng)物進(jìn)化到人的主要階段,但顯然,從0到1、從無(wú)到有的根本性進(jìn)化,則體現(xiàn)在從無(wú)頭無(wú)脊椎到有頭有脊椎的飛躍。因此,“第一魚(yú)”的發(fā)現(xiàn)具有重大里程碑意義。“第一魚(yú)”成為年度“國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)”的重要成果,發(fā)現(xiàn)“第一魚(yú)”及其相關(guān)類(lèi)群的論文多次在《自然》《科學(xué)》等國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)刊物發(fā)表,《自然》雜志以“逮住第一魚(yú)”為題對(duì)發(fā)現(xiàn)給予高度肯定。當(dāng)前,海口魚(yú)、鳳姣昆明魚(yú)等“第一魚(yú)”相關(guān)材料已廣泛入選各國(guó)教科書(shū)、百科全書(shū)和博物館。
古生物研究是大海撈針式的研究,可能幾十年才會(huì)遇到一塊好標(biāo)本。無(wú)疑,偶然背后存在必然,好運(yùn)氣常常青睞有準(zhǔn)備的頭腦。當(dāng)前,我國(guó)古生物研究處于國(guó)際第一方陣,這得益于我們擁有澄江動(dòng)物群、熱河生物群、藍(lán)田生物群、甕安生物群及三峽的埃迪卡拉生物群、志留紀(jì)脊椎動(dòng)物群等多個(gè)得天獨(dú)厚的化石庫(kù),同時(shí)更因?yàn)槲覀儞碛幸恢Ц咚刭|(zhì)的古生物學(xué)研究人才隊(duì)伍。古生物學(xué)是關(guān)于生命歷史的科學(xué),與歷史學(xué)性質(zhì)相似。我們學(xué)習(xí)歷史,因?yàn)樗兄谌祟?lèi)獲取在社會(huì)上立足和發(fā)展的經(jīng)驗(yàn);同樣的,我們應(yīng)該學(xué)習(xí)和了解古生物學(xué),因?yàn)樗軒椭祟?lèi)在與大自然協(xié)同演化中不斷取得發(fā)展。
(作者為中國(guó)科學(xué)院院士、西北大學(xué)教授)
版式設(shè)計(jì):沈亦伶
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《人類(lèi)的由來(lái)及性選擇》:達(dá)爾文著,葉篤莊、楊習(xí)之譯;北京大學(xué)出版社出版。
《寒武大爆發(fā)時(shí)的人類(lèi)遠(yuǎn)祖》:舒德干團(tuán)隊(duì)著;西北大學(xué)出版社出版。
《祖先的故事》:理查德·道金斯、黃可仁著,許師明、郭運(yùn)波譯;中信出版社出版。
《 人民日?qǐng)?bào) 》( 2024年04月12日 20 版)
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