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鳳姣昆明魚(yú)化石及其復(fù)原圖。 |
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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，?？隰~(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。
?。ㄗ髡邽橹袊?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。
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《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）
