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他們,做了一個違背祖宗的決定

2022-12-25 09:42
來源:澎湃新聞·澎湃號·湃客
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原創(chuàng) Phynix 地球知識局 收錄于合集 #生物老祖宗故事集 1個

(⊙_⊙)

每天一篇全球人文與地理

微信公眾號:地球知識局

NO.2370-違背祖宗的決定

作者:Phynix

制圖:金槍魚 / 校稿:辜漢膺 / 編輯:金槍魚

迎著早上的陽光,你出門上班。和煦的微風吹拂在你的臉上,聽著清晨鳥兒的歌聲,你感到神清氣爽。你愜意地做了一個深呼吸,讓肺中充盈著新鮮空氣,然后邁著輕快的步伐走向車站。

這一切都是如此的自然,作為一生大部分時間都生活在陸地上的人類來說,的確如此。在空氣中呼吸,直接暴露于日光之中而沒有脫水,在堅實的地面上行走,用耳朵為感官捕捉周遭的環(huán)境信息,這些都是陸生脊椎動物才有的特征。

然而,我們遠古的祖先曾經(jīng)是一生都生活在海洋中的。地球生命起源于海洋,而從適應海洋環(huán)境到適應陸地環(huán)境,面臨著巨大的挑戰(zhàn)。現(xiàn)代人用“上岸”來調侃終于完成了一件艱難挑戰(zhàn),確實也十分貼切了。

我等的魚,它在多遠的未來

(圖:壹圖網(wǎng))▼

人類的老祖先從海洋中爬上岸,邁出生命演化史上的一小步,可是頗費了一番周折。

登上陸地需要做好哪些準備?

以脊椎動物為例,登陸前要面對五大挑戰(zhàn):支撐、運動、進食、感官、繁育。

① 支撐

想上岸,首先要獲得足夠的支撐。這里的支撐,主要指肢體對體重的支撐。海生脊椎動物因為有水的浮力抵消重力,但陸地環(huán)境中沒有浮力,全身的重量就需要更加強勁的骨骼、關節(jié)與肌肉進行支撐。

鯨魚的肌肉也和陸生哺乳動物的不同

豐富的肌紅蛋白使它們的肌肉能儲存很多氧氣

(圖:shutterstock)▼

② 運動

不同于在水中游泳,有肢體的生物在陸地上行進時主要依靠肢體的前后擺動。在擺動的過程中,手足處的關節(jié)也需要能做出相應的翻轉動作,以保證下一步總能穩(wěn)穩(wěn)地著地。

在水中和陸地上的不同前進方式

魚(左1, 2)、蠑螈(右2)和恐龍(右1)

(圖:修改自Kenneth, 2012)▼

在不同的環(huán)境中,自然選擇篩選出了特化的肢體造型

(圖:壹圖網(wǎng))▼

③ 進食

進食與呼吸是相伴隨的,這都涉及到口部運動方式和連接方式的變化。魚類用鰓將血液與水流中的氧氣交換,鰓部開放以供水流通過,活動關節(jié)多;而陸生脊椎動物用肺呼吸空氣,腮部閉合,頭骨骨片愈合形成一個結實的頭蓋骨,僅上下頜關節(jié)可活動。

魚用開放的鰓吸收水里溶解的氧氣

顏色越鮮紅說明氧氣含量越豐富

(圖:shutterstock)▼

④ 感官

對于環(huán)境的感知與調節(jié)方式也要變。魚類在水中靠側線系統(tǒng)感知水流判斷方位,但在陸地上,這套感覺系統(tǒng)則讓位于聽覺。陸生脊椎動物中耳里面的鐙骨,就是由魚類的舌頜骨演化而來。

魚類用于感知水流壓力的體側線

幫助他們在海里不至于迷路

(圖:壹圖網(wǎng) /shutterstock)▼

⑤ 繁育

繁育是證明生物可以完全適應陸地生活的最后一步。兩棲類繁育后代的方式可被視作是陸棲繁育的雛形,即首先將卵產(chǎn)于水中,先孵化成蝌蚪,再經(jīng)變態(tài)發(fā)育長成成體。

脆弱的幼體還不能擺脫水生環(huán)境

變態(tài)發(fā)育就是把復雜任務拆解的絕佳模板

(圖:shutterstock / 壹圖網(wǎng))▼

唯有上述條件均滿足時,才證明脊椎動物真正實現(xiàn)了由海洋生活向陸地生活的轉變。

所幸的是,支撐、運動、進食與呼吸等特征可由骨骼化石的特征反映出來,我們今天可以借此推斷遠古的脊椎動物是否具備了陸生的能力。

一具完整的化石,在專家眼里和在普通人眼里

信息量截然不同(圖:shutterstock)▼

脊椎動物冒險者的先驅:

提塔利克魚和棘螈

說到陸生脊椎動物的祖先,不得不提到提塔利克魚(Tiktaalik roseae)。

這是一種生活在3.75億年前的大型古老魚類,全長可達2.5米。頭后的鰓和軀干上的鱗片證明它仍然生活在水中,但是它那呈三角形的扁平頭骨和切肉刀一樣的鰭則表明,這種大魚具備把頭和身體探出水外的本領。

從魚鰭到四肢,從水到陸地,改變了當時的游戲規(guī)則

提塔利克魚(圖:shutterstock)▼

提塔利克魚出現(xiàn)了肩部骨骼,并與肢骨相接,肢骨結實粗壯,上面還有顯著的肌肉附著痕。這些特征都表明,提塔利克魚骨骼強壯,肌肉結實,依靠鰭足以將其自身支撐起來,并在陸地上進行短距離的移動,就像今天的彈涂魚一樣。

目前來看,提塔利克魚很可能是包括人類在內(nèi)所有陸生脊椎動物的祖先。

彈涂魚也可以短暫地登上陸地,并用前肢撥動前進

(圖:shutterstock)▼

提塔利克魚的化石發(fā)現(xiàn)于加拿大的埃爾斯米爾島。該島現(xiàn)在位于北極圈之內(nèi),但在3.75億年前的泥盆紀時代,這里正位于赤道附近。

提塔利克魚生活在溫暖潮濕的河流前灘附近。構成河底和河灘的泥沙濕滑易陷,淺淺的河水又使得游泳也并不算痛快。在這種需要時而劃水游泳、時而足踩泥濘的環(huán)境中,提塔利克魚率先演化出了可以支撐身體的鰭,獲得了短暫的地面行走能力。

脊椎動物從水生到陸地的進化歷史中

提塔利克魚是關鍵的轉換環(huán)節(jié)

(來源:芝加哥大學)▼

作為第一條具有行走能力的魚,提塔利克魚是脊椎動物從魚類向具備四肢的四足類演化的轉換環(huán)節(jié),在脊椎動物演化歷史上具有重要的里程碑式意義。

盡管提塔利克魚已經(jīng)達成了支撐和運動這兩個條件,但它還沒有真正的四肢,進食與呼吸還達不到陸生的特征。直到1000萬年后,真正具有四肢的脊椎動物才出現(xiàn)。棘螈,就是最早具有四肢的脊椎動物之一。

是棘不是刺哦,注意和人們常常說的二刺螈區(qū)分

(圖:Youtube ? Paleozoo)▼

棘螈(Acanthostega gunnari)生活于距今約3.65億年前的泥盆紀晚期,全長約60厘米。棘螈的四肢末端不再是鰭條,而是真正出現(xiàn)分叉的手指和腳趾,肩部和臀部的骨骼也更為強健。

然而,由于它的肘關節(jié)與膝關節(jié)尚不靈活,小臂及小腿并不能彎折,這使得棘螈的四肢仍只能直直地向體側伸著。這種姿勢在水中游泳尚可,但支撐身體登陸恐怕太為難了。

棘螈的生態(tài)復原圖。關節(jié)不靈活的棘螈依然只能在水中生活

(圖:壹圖網(wǎng) / 維基百科)▼

演化了1000萬年,難道棘螈在上岸這件事情上,本領還不如提塔利克魚?也不盡然。科學家們研究了棘螈的頭骨,發(fā)現(xiàn)其頭骨的功能與陸地動物一樣,可以進行啃咬而非吸食。

這說明,棘螈在能完全上岸之前,就已經(jīng)具備在陸地捕食的特征了。“民以食為天”,動物也不例外。確保上岸之后能吃飽,這事兒還是挺重要的。

可惜的是,提塔利克魚雖能支撐身體,但運動能力還是勉強。棘螈雖然有了在陸地上捕食的本領,也有了完整的四肢,但這四肢尚不夠強大,還是不足以幫助它上岸。

脊椎動物登陸過程中肢體的演化過程

(圖:science20)▼

這個時期的脊椎動物,距離上岸依然差了那么幾步。但不可否認,提塔利克魚和棘螈都是脊椎動物的“開陸”先鋒,開啟了對陸地生活的冒險。

遺憾的是,到底哪一種脊椎動物最早登陸,現(xiàn)存的化石證據(jù)依然太少,我們無從得知。我們現(xiàn)在知道的是,在距今約3.4億年前的石炭紀早期,脊椎動物已經(jīng)充分具備了登陸的能力,可以在陸地上進行長久的活動了。

我們只能通過化石證據(jù)

去一點點求證推論億萬年前的真相

(圖:Davide Bona ? news.harvard)▼

脊椎動物費盡周折上岸之后,發(fā)現(xiàn)它們并不是第一名。率先登陸的成功者另有其人。

捷足先登的成功者:古馬陸

脊椎動物登陸成功之前,節(jié)肢動物已經(jīng)在陸地上生活很久了。其中的代表成員是古馬陸。

古馬陸(Arthropleura)出現(xiàn)于距今3.45億年前,是目前已知最大的陸生節(jié)肢動物。古馬陸是當今馬陸(蜈蚣的近親)的加大加強版,其體長推測可達1.9米到2.6米。

脊椎動物好不容易以為到了新天地

結果發(fā)現(xiàn)有個大家伙已經(jīng)捷足先登

腿多果然跑得快(圖:Flickr)▼

和脊椎動物相比,以古馬陸為代表的節(jié)肢動物具有外骨骼,即支撐與保護身體的甲殼在外。厚重的軀干甲片可以保持體內(nèi)的水分,位于腹側的氣門起到在空氣中呼吸的作用。雖然看起來很兇猛,但古馬陸卻是一種植食性生物,生活河流邊的濕潤環(huán)境中,以孢子、葉子和種子為食。

在登陸這件事上,古馬陸可算是成功者的代表。

現(xiàn)在的古馬陸只能作為幻想生物活在化石和創(chuàng)作里

(圖:壹圖網(wǎng))▼

雖然古馬陸登陸成功,其體型也曾鮮有敵手,但脊椎動物的上岸可能還是對它的生存構成了威脅。目前認為,具備啃咬能力的陸生脊椎動物很可能會捕食古馬陸,而石炭紀周期性的河水干涸也對古馬陸的生存造成了一定影響。

最終,古馬陸在2.9億年之前絕滅,陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的動物,此后只出現(xiàn)在脊椎動物之中。

古馬陸由于來得太早沒有天敵

在戰(zhàn)斗天賦上疏忽了的樣子

(來源:紀錄片《與怪物同行》)▼

生物由海向陸的演化,是地球生命歷史中濃墨重彩的一筆。這一事件深遠地改變了這個星球的生態(tài)系統(tǒng),創(chuàng)造出了除海洋之外的又一片煥發(fā)生機的領域。這一過程漫長而復雜,生物在河灘上印上第一枚足跡之前,是自然選擇在海洋生命中長達千萬年的積累。

《侏羅紀公園》中馬爾科姆博士說道:“生命會自己尋找出路”,不息的生命永遠在探索中前進,開拓生命演化的新篇章。

Creatures find a way

這就是我們一路走到今天的全部理由

(圖:Flcikr)▼

最后:

上下滑動查看參考資料:

[1] Benton, M. J. 2015. Vertebrate Palaeontology. Wiley Blackwell Press, West Sussex, UK, 506 pp.

[2] Kenneth, V. K. 2012. Vertebrates: Comparative anatomy, function, evolution. McGraw-Hill Press, New York, US, 816 pp.

[3] Daeschler, E, B., Shubin, N. H., Jenkins, F.A. Jr. 2006. A Devonian tetrapod-like fish and the evolution of the tetrapod body plan. Nature. 440 (7085): 757–763.

[4] Markey, M. J., Marshall, C. R. 2007. Terrestrial-style feeding in a very early aquatic tetrapod is supported by evidence from experimental analysis of suture morphology. Proceedings of the National Academy of Sciences. 104 (17): 7134–7138.

[5] Schneider, J., Lucas, S., Werneburg, R., R??ler, R. 2010. Euramerican Late Pennsylvanian/Early Permian arthropleurid/tetrapod associations – implications for the habitat and paleobiology of the largest terrestrial arthropod. New Mexico Museum of Natural History and Science Bulletin. 49: 49–70.

*本文內(nèi)容為作者提供,不代表地球知識局立場

封面:壹圖網(wǎng)

END

原標題:《他們,做了一個違背祖宗的決定!》

閱讀原文

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