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3.75亿年前,生命史被一群登上陆地的鱼改变

2020-03-23

        ▲ 一只弹涂鱼在沙滩上“行走”。

        鱼上了岸,可怎么活啊?



        我们都知道,生命起源于海洋。茫茫大海占据了地球表面71%的面积,也养育着数量庞大的种群。

        然而,3.75亿年前,一群鱼类不走寻常路,开始艰难地离开水环境,成为最早在陆地上定居的有脊椎生物。

        这是生命史上最重要的事件之一。那么,到底是哪一批鱼最先登陆的?它们又是因为什么上岸呢?

        上岸的是什么鱼?


        谁才是最早做出这一重大举动的脊椎动物呢?在距今4.5亿年到7千万年前繁盛的多种鱼类化石中,可以看到多种鱼类已经演化出的具有肌肉发达的肉质基部的鳍。其中,最常见的是腔棘鱼科的鱼类。

        ▲ 科学界发现的第二种腔棘鱼,后来成为新物种印尼矛尾鱼(Latimeria menadoensis)的模式标本。


        因此,1938年,渔民将一条活的腔棘鱼拖上南非海岸,进化生物学家们对此兴奋不已。这是一个能揭示这些古老鱼类身体结构和内部解剖结构的好机会,没有任何化石可以展示出这些细节。然而,不幸的是,渔民破坏了鱼体,还扔掉了所有重要的内脏。

        随后,科学家们在非洲的南部和东部沿海地区再次进行了搜索,试图找到更多的样本。这次搜索收获颇丰,但唯独没有发现腔棘鱼。1952 年,人们终于发现了第二条腔棘鱼。这次是在马达加斯加以北的科摩罗群岛海岸捕获到的。显然,当地人不太喜欢这种奇怪的生物。因为它们的肉质并不特别鲜美,一旦上钩,还会拼命挣扎。

        ▲ 1974年10月18日捕捉到的西印度洋矛尾鱼标本。西印度洋矛尾鱼,又称东非矛尾鱼,是腔棘鱼目矛尾鱼属的其中一种。图/Wikipedia


        即便如此,当地人每年也会捕回一两条,很快科学家们就有了大量的样本来进行详细的研究。之后,人们又在印度尼西亚发现了另一个腔棘鱼种群。乘坐潜水艇的水下摄影师拍到了它们,展示了它们的游泳过程。腔棘鱼以缓慢而优雅的方式游动,有时用它们奇怪而多肉的鳍像撑船一样推动自己在海底穿行。

        详细的解剖学研究包括基因分析结果显示,毫无疑问,腔棘鱼是一个非常古老的群体,但尽管如此,它们并不像人们认为的那样,与第一批登上陆地的脊椎动物有任何密切的关系。

        ▲ 提塔利克鱼的生活重建图。图/Wikipedia

        因此,科学家们重新开始了对陆生脊椎动物共同祖先的研究。2004年,古生物学家发现了一个更可能的候选者。在加拿大东北部的埃尔斯米尔岛上,一个研究小组发现了一种大型的、质地很重的鱼状生物的化石。当地因纽特人看到这些化石,称之为“提塔利克鱼”(Tiktaalik)。这是他们对江鳕的称呼,江鳕是当地人经常捕捉到的淡水鱼中个头较大的一种。

        现在,“提塔利克”(Tiktaalik)这个名字成为了这种化石生物的学名。但事实上,提塔利克鱼与现生的任何鱼类或者其他任何生物都不一样。

        ▲ 提塔利克鱼的重绘图。图/Wikipedia 

        它长约两米,有一个巨大而扁平的头,上方长着一对眼睛,与鳄鱼很相似。它的身体被鱼鳞状鳞片保护着,并且有了颈部的雏形。但它在演化史上的重要性在于它的“四肢”。

        它“前肢”边缘有鳍,符合你对鱼类的想象。但其肉质基部含有骨头,并在肘部和腕部形成关节。这显然是一个可以帮助它离开水活动的肢体。

        上岸的鱼怎么活?


        为了完成水陆这一重大的跨越,“提塔利克鱼”像第一批陆生无脊椎动物一样,必须解决两个问题:第一,如何离开水;第二,如何从空气中获取氧气。

        我们可以参考一种现生动物,它能同时完成这两件事情,这就是弹涂鱼。弹涂鱼与最早登上陆地的鱼类先锋并没有什么亲缘关系,因此它们之间并没有什么可比性。但即使如此,弹涂鱼仍然能给我们一些启示,一窥最早登陆的鱼类是如何完成这一重大举动的。

        ▲ 广东弹涂鱼,是背眼虾虎鱼科弹涂鱼属的鱼类。图/Wikipedia


        弹涂鱼只有几厘米长,你可以在许多热带地区的红树林沼泽和泥泞的河口处找到它们。弹涂鱼常常躺在紧邻水面的闪闪发光的泥地中,有的甚至依附在红树林拱形的支柱根和呼吸根上,或者爬到树枝上。它们容易因突然的移动或噪音而受到惊吓,并迅速跑回水中安全地带。

        它们从水中出来,是为了捕食聚集在松软的淤泥表面上的昆虫和其他无脊椎动物。弹涂鱼会突然弯曲身体,通过跳跃来移动,但它们还有一种更常用、更温和的运动方式,就是借助胸鳍来前进。

        每一条胸鳍都有一个肉质基部,内部有骨骼支撑,实际上,胸鳍相当于坚硬的拐杖,有了它,弹涂鱼就好像有了支点,可以向前运动。

        ▲ 沙滩活动的弹涂鱼。图/Wikipedia


        但它是如何在水域之外进行呼吸的呢?弹涂鱼将水含在口中,通过摆动头部,使水在口腔黏膜上旋转,以获取水中溶解的氧气。

        此外,它还通过湿润的皮肤直接从空气中吸收部分氧气,但是这些都只允许它在水外停留很短的时间。几分钟之内,它必须返回水中湿润皮肤并重新吸一口水。

        弹涂鱼不能离水太久,否则就会干死。然而,另一种生物找到了解决办法。 

        ▲ 非洲肺鱼。图/Wikipedia


        在非洲,旱季时,烈日炙烤着河流周围的泛滥平原,将许多沼泽变成了硬泥。然而,有一种鱼——肺鱼,却能设法终年生活在其中,并通过呼吸空气来度过干旱

        当水面萎缩时,肺鱼便钻入池底的泥土中,把自己卷成一个球,尾巴绕在头上,分泌黏液来糊上洞道。当太阳把泥土中最后的水分烤干时,黏液会变成像羊皮纸一样的物质。

        其他原始淡水鱼,比如多鳍鱼,有一个开口于肠道的气囊,也就是鳔,可以用来呼吸空气。而肺鱼有一对这样的气囊,此刻,当它离开水面时,完全依赖于这对气囊生存。

        ▲ 肺鱼化石,上泥盆世(3.85 亿至 3.59 亿年前)。


        在钻入地下的过程中,肺鱼会在泥里钻一条一两厘米宽的通道,它的嘴与封闭洞道的羊皮纸物质上的微小空隙相连,空气便可以通过这个通道进入它的嘴中。

        通过间歇地收缩喉部肌肉,肺鱼把空气从喉部吸入体内的气囊中。气囊的壁上密布血管,可以吸收气态氧。这些器官相当于简易的肺,在它们的帮助下,肺鱼可以在没有水的环境中存活数月,甚至数年。

        生命,总会找到出路


        生命来源于水中,而有些登陆的生物又回到了水里。如今,在一些生物身上可以看出明显的水陆间“反复横跳”的痕迹,特别是两栖类动物,比如蝾螈。比起腔棘鱼或弹涂鱼的鳍,蝾螈的四肢虽然更为进化,但并不如它们高效。

        ▲ 美西钝口螈的白化个体。


        蝾螈的四肢太短,如果想要用后肢向前迈一大步,它们必须横向弯曲身体来完成这一动作。蝾螈将一生中的大部分时间都花在了陆地上。

        它躲在石头下面,或者躲在潮湿的、布满苔藓的地方,捕食蠕虫、蛞蝓和昆虫。但它不能离开水太远,因为它的皮肤具有透水性,在干燥的空气中,会很快失去体液而死亡。


        它的肺相对简单,不能完全满足身体对氧气的需要,所以和弹涂鱼一样,它依靠湿润的皮肤来吸收补充氧气。这两项需求都将它和其他大多数两栖动物限制在了潮湿的地方。

        ▲ 产于日本的红腹蝾螈。图/Wikipedia


        但是,还有第三个需求将它困在水边:它的卵和鱼卵一样,没有防水的外壳,所以在繁殖的时候,它必须为自己的卵找到水。

        在繁殖季节的水生阶段,蝾螈变得很像鱼类。它划动身体两侧的四肢,弯曲身体并拍打尾巴游动着。在求偶时,有些物种的雄性像许多鱼类那样,背部长出颜色鲜艳的肉冠,像背鳍一样。

        雌性蝾螈产下大量的卵,每一枚卵分别附着在水生植物的叶子上。当幼崽孵化时,它们甚至比自己的父母更像鱼类,因为它们没有腿,也不是用肺呼吸,而是用羽状外鳃呼吸,肺则将在以后发育。

        ▲ 欧非肋突螈在水底。图/Wikipedia


        有的两栖动物已经不可逆转地回归水生生活,比如斑泥螈。它既有鳃又有肺,在溪流底部的巢穴里产卵,一生都生活在水中。

        一些蝾螈在返祖之路上甚至走得更远,进一步回归像鱼一样的生活方式。它们似乎不仅失去了肺,还失去了四肢。鳗螈是一种来自美国南部、长约1米的两栖动物,它已经完全失去了后肢,前肢不仅大大缩小,而且没有了硬骨,只有软骨,所以它的四肢在运动中没有实际作用。

        ▲ 旧金山的小鳗螈。图/Wikipedia


        与它来自同一产地的两栖鲵,虽然还保留着四肢,但是它的四肢非常瘦小,必须要非常仔细地观察,才能发现它们。事实上,由于两栖鲵看起来太像一条鱼了,所以在当地被称为刚果鳗鱼

        可见,无论是面对什么样的环境,生命总会寻找出路。这就是适者生存的智慧,在物竞天择的残酷进化中,一代又一代地传承下来。

        关于本文的核心资料来源:《生命的进化》

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