【追根溯源】到底是先有“鸡”，还是先有“蛋”？

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【追根溯源】

到底是先有“鸡”，还是先有“蛋”？

撰文｜吴  蕾

图源：Pixabay

　　【导读】

　　公元前四世纪，哲学家亚里士多德（Aristotle）在著作中提及了一个古老的民间悖论：先有鸡，还是先有蛋？[1]所有的鸡都从鸡蛋孵化而来，所有的鸡蛋又都是由鸡产下的——在这样一个无限回归的场景里，孰为因果变得难以界定。

　　于是他在著作中得出结论：这是一个无限的序列，没有真正的起源[1]。四个世纪后，哲学家普鲁塔克（Plutarch）在他的散文集中指出，这其实是一个“伟大而重要”的问题，因为它直指一个终极命题：世界是否有一个开端[2]。

　　不过在演化生物学领域，科学家们却用这个比喻指代了另一个悬而未决的问题：羊膜动物（“鸡”）与羊膜卵（“蛋”）谁先起源？[3]这个问题关乎到我们的祖先从海洋向陆地迈出的第一步，因此同样至关重要。南京大学地球科学与工程学院的姜宝玉教授团队近期发表于《自然·生态与进化》的研究工作，为回答这个问题提供了新的证据。

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　　什么是“鸡”？羊膜动物的演化之路

　　水是生命之源。繁盛的生命世界孕育自早期的海洋，并向陆地环境拓展。作为脊椎动物的基部类群，鱼类最先在海洋中出现；到了泥盆纪，鱼类中的一支——肉鳍鱼类向水-陆两栖的生活方式演化，鱼鳍中的骨骼演变成用于陆地爬行的四肢结构，形成了四足动物[4]。这个过程中奠定的身体构造，就是如今陆生脊椎动物的模板。在四足动物大家族里，虽然每种动物都能在此基础上开发出别具一格的用法（翅膀、鳍、滑翔翼等等），但总也逃不过两对附肢和五根指头的基本模式，只能少（退化），不能多。

肉鳍鱼和早期两栖类的骨骼比较 翻译自[5]

　　基干的四足动物也称为“两栖类”，它们中的一部分保留了原始的特征存活至今，即为我们生活中见到的青蛙和蝾螈等动物[4]。虽然两栖动物能在潮湿的陆地环境里活动，但它们的皮肤裸露，极易散失水分，且所产的卵必须在水环境中才能存活。因此，虽然名为“两栖”，它们并未完全适应干燥的陆地。“高不成低不就”的演化地位，使两栖动物的分布十分受限。

两栖类虽然可以在陆地上活动，但仍然依赖水环境 图源[6]

　　随着时间的推移，我们的主角——羊膜动物登上了演化的大舞台。羊膜动物出现于约3.4亿年前的石炭纪，从早期的两栖类演化而来[7]，包含下孔类（似哺乳爬行动物和哺乳动物）和爬行类（演化成龟鳖类、蜥蜴类、鳄类及鸟类）两大主要的支系[8]。

繁盛的羊膜动物家族 修改自[9]

　　现存的四足类中，除了两栖动物以外，悉数属于羊膜动物。从物种多样化的程度来看，羊膜动物足以称得上是演化上很成功的一个谱系。那么，它们成功的秘诀在哪里呢？

　　什么是“蛋”？羊膜卵的结构

“现生羊膜动物与基位四足类的基本区别是羊膜动物会产羊膜卵，而卵具有半透性的壳并充满足够的液体和养料保障胚胎发育成熟，孵化成陆生幼仔。”

　　——迈克尔·J·本顿《古脊椎动物学》

　　羊膜卵又是什么呢？鱼类和两栖类也会产卵，但这些卵的结构相对简单，只有一层胚膜；而羊膜卵的结构则更为复杂，不仅有一层半透性的壳，还有多层外胚胎膜[10]。外胚胎膜包含绒毛膜、羊膜和尿膜三种结构，前两者用于保护胚胎并维持气体交换，后者也参与呼吸，并存储代谢废物。

羊膜卵的结构 翻译自[11]

　　鸡蛋就是羊膜卵最典型的代表。不过我们平时食用的大多是未受精或没来得及发育的蛋，因此主要看到的是蛋清（卵清）和蛋黄（卵黄）；观察仔细一些，或许可以看到蛋黄上有一个小白点，即为胚盘（受精后发育成雏鸡）[12]；其他的结构则需要受精卵发育成胚胎才能够见到。根据外壳可以将羊膜卵分成膜壳卵、软壳卵和硬壳卵[13,14]。膜壳卵没有矿物质层，主要产自单孔类动物和部分有鳞类；软壳卵有一层很薄的矿物质层，产自一些龟鳖类和大多数有鳞类；我们最熟悉的硬壳卵，有一层厚而坚固的矿物质层，是部分有鳞类、大多数龟鳖类、鳄类和鸟类所产的卵[13]。

　　单孔类哺乳动物鸭嘴兽（a）、针鼹（b）和从卵中孵化出的幼体（c） 图源[15]

　　从分类上来看，哺乳动物也属于羊膜动物——那为什么我们不是从蛋里孵出来的呢？其实哺乳动物的祖先类群依然是卵生的，存活至今的鸭嘴兽就是例证。哺乳行为减少了幼崽对卵黄（营养来源）的依赖；后来有袋类（例如袋鼠）和胎盘动物（例如人）演化出了胎盘，依靠母体获得营养，进而全面代替了原有的羊膜卵结构[16]。因此，尽管现生的胎盘哺乳动物并不生产羊膜卵，它们从演化历史上来看也属于羊膜动物。

　　“鸡”“蛋”之争：究竟谁先出现？

　　造型复杂而精巧的羊膜卵，一直被认为是脊椎动物登陆的关键。传统的“陆地起源假说”认为，陆生脊椎动物的祖先采取水生或两栖的生活方式。为了避免后代沦为水生捕食者的“盘中餐”，它们将卵产在了较为湿润的陆地上[17]。不过这也并非一劳永逸的办法：干燥而复杂的陆地环境也提出了新的生存挑战。随着时间的推移，卵的结构愈加复杂，产生了额外的胚胎外膜，并演化出了一层坚硬的外壳。这种精巧的卵结构，不仅减少了水分的散失，还降低了胚胎受到病原感染的风险，是里程碑式的“演化创新”[17]。翻开教科书都不难发现一条经典的结论：羊膜卵的出现，让胚胎发育过程脱离了对水环境的依赖，是脊椎动物适应陆生生活的关键标志[18]。

　　不过，登陆的故事绝非完美地尘埃落定。大胆质疑与谨慎论证一直是科学发展的主旋律。

　　另有人认为，羊膜卵的出现与陆地环境之间没有直接的联系[19]。羊膜动物是体内受精的，发育中的受精卵如果保存在母体的子宫内，就有可能会吸附在子宫壁上，进而引起呼吸等功能性的障碍。为了适应与母体的互动，胚胎发育出了额外胚胎外膜，维持母体与幼体之间的气体与营养物质的传输，并防止发育中的胚胎附着在子宫壁上[17]。如此一来，发育中的卵就可以在母体内保存更长的时间，在获得营养的同时，受到母体的保护[20]——这种假说称为“延长胚胎体内发育（extended egg retention，EER）假说”。

关于羊膜卵起源的两种假说 翻译自[3]

　　虽然本质上都是为了适应复杂多变的陆地环境，但两种假说从不同角度解释了羊膜卵出现的原因：陆地起源假说强调对干燥环境的直接适应，倾向于认为先有“蛋”，即羊膜卵；而EER假说偏向于强调获得母体的保护，倾向于认为先有“鸡”，即羊膜动物[21]。究竟哪种假说更胜一筹呢？唯有在真实的自然世界里见真章了。

　　EER在羊膜动物中的分布：棕黄色为EER的类群，粉色为非EER的类群 修改自[17]

　　在现存的羊膜动物里，大多数哺乳动物是胎生的，有鳞类动物（蛇和蜥蜴）可以卵胎生（卵在母体内孵化，以幼体形式产出）或卵生，因而它们都是具有EER的类群；而主龟龙类动物（包含鸟类、鳄类和龟鳖类）所产的卵都处于发育早期，因而不具有EER [17]。EER和非EER的类群，各代表了羊膜动物中非常繁盛的支系，因此很难依据现有的动物来推断究竟哪一个更为原始。

　　这时，化石就成了回答“先有鸡，还是先有蛋”的关键。

　　化石证据：在历史的迷雾中寻找答案

　　比起骨骼化石，一些卵化石的形成条件更为苛刻，因而也更为罕见。在历史上真实出现过的羊膜卵，极有可能无法顺利保存成化石并被人发现。最早的羊膜卵化石见于三叠纪（约2亿年前）[22]，而最早的羊膜动物是石炭纪的林蜥（Hylonomus）和古窗龙（Paleothyris）[23]，约在3.06–3.12亿年前，远早于羊膜卵化石。那么在没有卵化石的情况下，如何确定最早的羊膜动物在什么时候出现呢？答案在于演化关系。无论是乌龟、蜥蜴、鸟类还是鸭嘴兽，它们的卵都具有相同的结构，因而应该都是从它们共同的祖先那里继承而来的，而且这种特征在历史上只出现过一次[8]。通过分析林蜥和古窗龙的骨骼化石，可以根据解剖学特征将它们列在羊膜动物的主要演化路径上，因而它们也是羊膜动物[8]。

　　弓龙母体及其子宫内的胚胎。左：标本的真实照片；右：线条示意图，母体以浅灰色表示，幼体以深灰色表示 [24]

　　在2012年发表的研究工作中，科学家们分析了产自早二叠世地层中的弓龙（Mesosaur，一种羊膜动物）化石[24]。在其中一个化石里，母体和位于它体内的幼体被一同完好地保存了下来：母体的体内没有发现蛋壳，而且幼体胚胎处于较高的发育阶段[24]。这一发现可以让我们合理地推测，（至少有一种）2.8亿年前的羊膜动物更可能是胎生的，早于最早的羊膜卵化石（约2亿年前）[24]。

　　这是一个十分关键的发现，支持了认为“先有鸡（羊膜动物）”的EER假说。但是两派的争论却并未因此止息。“陆地起源假说”的支持者们秉持着两条论据[21]：1）原始的羊膜卵没有矿化的卵壳，因而很难保存下来；2）主龙类（鸟类、鳄类）作为羊膜动物中庞大而主要的支系，普遍不具有EER。第一条论据从哲学上来看似乎难以推翻：这是一个“存在但无法被观测”的“彩虹独角兽”。但第二条则存在着一些突破口：如果把羊膜动物划分为哺乳类、有鳞类和主龙类三大支系的话，那么前两支已经证实存在EER了；唯一需要确认的，就是主龙类的祖先是否具有EER[21]。

　　在今年新发表的工作中，科学家们研究了一块产于辽宁西部的离龙类胚胎化石，为这个问题提供了关键的答案。

离龙类化石 图源[25]

　　离龙类是一群水生羊膜动物，生活于中侏罗世到中新世，主要分布在欧洲、北美和亚洲的淡水环境[26]。它们的形态多种多样，其中最著名的是长得像鳄鱼的新离龙类，但也有的长得更像蜥蜴，或具有一条细长的脖颈[25]。离龙类在距今约1.25-1.2亿年前最为繁盛，尤其是在亚洲东北部的热河生物群。

化石中的胚胎及其外壳（B、C、D-G） 图源[3]

　　这个新报道的离龙类Ikechosaurus sp.化石是一个处于发育晚期的胚胎。这个胚胎被一层软壳包裹，说明离龙类是卵生的类群[3]。但是，仅凭一枚孤零零的卵无法判断离龙类是否具有EER：它既有可能是一个EER卵，在发育的晚期被产到了母体以外，也有可能是一个非EER卵，发育早期就在潮湿的陆地环境中孵化至当前的状态。幸运的是，已有其他离龙类近亲的化石证明，离龙类是一个具有EER的类群[27,28]。它们可能像现生的海龟和鳄鱼一样，主要营水生生活，繁殖时在岸边产卵[21]。

　　那么，这枚孤零零的卵为什么如此重要呢？前文提到，要证伪“陆地起源假说”（或者说，证明EER假说），关键在于确定主龙类的祖先到底有没有EER。目前已知，离龙类是具有EER的类群，但它们的演化地位却长期存在争议[17]。

　　离龙类可能的演化地位:棕黄色为EER的类群，粉色为非EER的类群 翻译自[17]

　　基于骨骼化石的特征，离龙类的演化地位存在四种可能性[17]：1）主龙型类中主龙类的近亲；2）龟鳖类和主龙类祖先的近亲[28]；3）位于鳞龙型下纲；4）双孔类的基干类群。如何确定哪一种是最为可能的情况呢？

　　胚胎发育过程具有高度的保守性，因而也是用来确定演化关系的关键。中国科学院古脊椎动物与古人类研究所高级工程师张蜀康告诉《知识分子》：“相关的动物发育到成体往往会出现很多区别，但在胚胎期会比较相似。直接比较成体特征如果不能厘清系统发育关系，研究胚胎特征就是一个很好的突破口。”因此，这枚新发现的离龙类胚胎化石将成为关键性证据。

　　“新的化石是一个几乎骨化完整的胚胎，这是以前没有发现过的。这样就可以将这个化石与现生主龙型胚胎进行比较。”文章第一作者、南京大学地球科学与工程学院的姜宝玉教授表示，“（这个化石）胚胎颅顶的顶骨和额骨已经完全愈合。但是，基干爬行动物的颅顶都是没有愈合、有开孔的，很多甚至在孵化之后这个孔还一直存在。这一个证据就表明，离龙类与主龙型的鳄鱼、恐龙、鸟类的发育顺序几乎是一致的，而与鳞龙类的蜥蜴、蛇、喙头蜥的区别非常明显。另外，它们的骨化顺序也不一样。鳞龙类的骨化顺序基本上是从前到后部的，而且骨化结束的时候骨化程度非常低。但这个（离龙类）化石的骨化程度已经很高了。”以上证据支持，离龙类是主龙型下纲基部的类群（即图中①位置）[3]。结合已有证据支持离龙类是具有EER的类群，研究人员推断：主龙类的祖先具有EER[3]。

　　祖先状态重建支持EER假说，新报道的离龙类化石Ikechosaurus sp.以红色表示 译自[3]

　　所谓“孤证不立”，研究人员收集了代表性的现生羊膜动物的繁殖模式数据，以及所有已灭绝的有可用信息的分类群进行了祖先状态重建。他们在研究中编码了三组性状：（1）繁殖模式：胎生、卵生；（2）卵壳矿化程度：膜壳卵、羊皮纸质壳卵、硬壳卵；（3）EER：不存在、存在[3]。结果支持，基干羊膜动物主要的繁殖方式为具有EER的胎生模式[3]。因此，羊膜卵的早期演化是在母体子宫内发生的，与陆地环境并没有直接的联系[17]。在随后的不同支系中，羊膜卵演化出了柔软或坚硬的卵壳，提高了生存能力，进而奏响了四足动物征服陆地的序曲。

　　“先有鸡还是先有蛋”的问题，此时有了一个答案：羊膜卵起源于羊膜动物的体内，即“先有鸡”。

　　探索远未结束

　　姜宝玉表示，这篇文章是一个探索性的工作，现在说盖棺定论还为时过早。“只是说明以前我们普遍认为的羊膜卵和陆生适应的假说（“陆地起源假说”），并不是铁板一块。现在的证据支持早期羊膜动物登陆以后，为了适应陆地环境，可能是EER或者胎生。这样环境不适应的时候它就可以保留胚胎在子宫内，发育到一定程度再产出。”

　　不过需要指出的是，祖先状态重建的结论高度依赖于使用的系统发生树。许多存在争议的演化关系，会降低系统发生树的可靠性，例如已灭绝的海洋爬行动物[3]。中国科学院古脊椎动物与古人类研究所的刘俊研究员认为，本研究类群选取片面，下孔类、鳞龙形类只有现生类群，但早期的化石类群可以改变其结果：“硬壳卵最容易保存，软壳卵也偶尔保存，但是没有矿化的是无法保存的，例如早期下孔类（哺乳类祖先）。这会造成偏差。我认为早期下孔类应该是下软壳蛋的，而不是重建的EER。这样结论就不成立了。”

　　关于样本缺失的问题，张蜀康也补充道，相较于以磷酸钙为主要成分的骨骼来说，以碳酸钙为主要成分的蛋壳更容易受成岩作用影响，更不容易保存；但更重要的是蛋化石往往不能与具体的动物类群相对应，这才是影响样本量的最大因素。

　　除此以外，科学家们也会致力于寻找更多的化石证据。刘俊说：“发育学特征能够提供证据表明（这个离龙类胚胎化石）更接近现生主龙类而不是鳞龙类；这可能会成为主流观点，但是这个类群基干的化石更具有说服力，将来可以用来检验这一假说。”另外，如果能有其他主龙型类或龟鳖类的早期化石支持胎生或EER，也将为EER假说提供更有力的支持[17]。

　　当然，也不能排除“半路杀出个程咬金”的可能性。姜宝玉表示：“主龙型和鳞龙型基干很多陆生类群，目前没有发现卵的化石。但如果后面发现它们具有软壳卵，但又不是EER，那本研究的结论就会受到挑战。”倘若发现了时间更早的硬壳卵，人们也需要再度审视EER假说。“硬壳卵理论上比胚胎更容易保存，而且产出后羊膜动物会把它埋起来，更容易形成化石，但现有硬壳卵化石的出现时间依然很晚。这反而说明，有EER的胎生或者产软壳卵是一种更原始的特征。”姜宝玉补充道。

　　在被问到“如何证伪演化论”时，演化生物学家J.B.S.霍尔丹回答说：“前寒武纪的化石兔子！”作为一种科学解释，关于生命演化的假说也一直处在持续的自我更新中。科学家们不断地发现新的化石，关于演化之路的历史重建也在不断被挑战、补充和修正。

　　关于“我从哪里来”的探索之路，也将永远不会止步。

　　致谢：感谢中国科学院古脊椎动物与古人类研究所李茜研究员的帮助和指导。

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　　（来源：知识分子 The Intellectual）