我想大家最关心的还是:什么鱼跟我们人类关系最近?什么是登陆的鱼类?整个脊椎动物从硬骨鱼类里分出了两支,一支叫辐鳍鱼类,一支叫肉鳍鱼类。
什么叫辐鳍鱼类?什么叫肉鳍鱼类?大家平时吃到的鱼,比如青草鲢鳙四大家鱼,基本上都是辐鳍鱼类。辐鳍鱼类的特点就是:它的胸鳍和腹鳍中有很多块骨头。肉鳍鱼类的鳍如果从外观来看,是肉乎乎的。但是如果看里面的骨骼结构,你就能看到,肉鳍鱼的一根骨头就对应我们的肱骨,或者大腿骨。所以这就证明,我们是从肉鳍鱼类演化过来的。
那么什么是肉鳍鱼类?现生的肉鳍鱼类又是哪些呢?现在地球上能够真正称为肉鳍鱼类的、还活在水中的肉鳍鱼类,其实非常之少,只有两大类,一类我们就叫做肺鱼。肺鱼现在只有三个属、六个种,包括来自于南美的肺鱼、非洲的肺鱼,还有澳大利亚的肺鱼,就这么三个属,都来自于南半球。肺鱼顾名思义,它可以用肺呼吸。如果在非常干旱的环境里,它就可以把自己包在一个茧里,然后通过肺呼吸度过干旱的季节。这是肺鱼的一个特点。
另外一类我们叫拉蒂迈鱼。它的胸鳍和腹鳍非常像我们人类的前肢跟后肢。这个鱼实际上只有一个属、两个种。我们国家现有的拉蒂迈鱼是当时科摩罗政府赠送给我们的现生的标本。
▲ “活化石”拉蒂迈鱼,1976年捕获,1982年赠送我国。
但是我很高兴地告诉大家,经过我们的研究,还有我们几代人不懈的努力,我们发现中国实际上是肉鳍鱼类的故乡,发现地主要是在云南的曲靖。
如果我们追溯人类的过去,追溯到4亿多年前,就一定会回到云南曲靖。要知道,4亿多年前,我们中国的南方仍然处在赤道的附近,跟我们现在的位置是不太一样的。在云南曲靖,我们发现了很多很多早期肉鳍鱼类的化石材料。这对于我们理清楚早期肉鳍鱼类的这些特征是怎么一步步演化过来的,是非常非常关键的。大家看这样一张肉鳍鱼类的进化分支图。大家可以看到,最早期的肉鳍鱼类几乎都是在中国发现的,都是由我们团队,包括我和我的同事们发现的化石材料。▲ 最早期肉鳍鱼的化石材料几乎都是在中国发现的,Zhu et al. (2009)比如说我们找到了空棘鱼,就是刚才讲的拉蒂迈鱼;最早的云南孔骨鱼,一种非常现代的空棘鱼;最早的爪齿鱼;还有肺鱼的支系里最古老的肺鱼。这些都是在我们中国发现的。另外在四足动物这个支系里,几乎可以说是最早期的这些分化,我们国家也有很多很多的化石发现。
云南曲靖当时是一个海湾的环境,肉鳍鱼类在那样的环境里一下子分化出来,然后再向全球扩散;扩散之后,最后才有这些鱼类的登陆。因此可以说,如果没有云南曲靖,就没有我们中国南方肉鳍鱼类的早期演化事件,也就没有后来的鱼类的登陆,更没有最后人类的出现。这是张弥曼院士的一个工作,她也是在云南曲靖发现了杨氏鱼跟奇异鱼。
▲ 张弥曼院士用连续磨片及蜡制模型的方法制成的杨氏鱼化石等比例放大标本这个研究当时也是非常地轰动,因为它否定了这些鱼类有内鼻孔的有些证据,开启了全球学界对于云南化石研究的新的认识。这是东生鱼,是在四足动物这个支系里。我们通过高精度的CT,对它的大脑、血管、神经进行了重建。这个研究表明,我们人类最后适应陆地生活的很多特征,包括垂体、脑的演变,在东生鱼的这个时期已经出现了。我们回到最基础的问题——登陆。从水底到陆地,这是一个根本性的介质的变化。生物要登陆,就要适应这样的环境变化。
▲ 登陆:从肉鳍鱼到早期两栖动物 大家知道,我们在水里游泳,如果你不扑腾的话,你一般来讲是沉不下去的,因为水有浮力。但是到了陆地上,我们首先要克服重力的影响。而要克服重力,首先就是四肢的变化,起码要撑得住自己的身体。其次从水里到了空气里,还要有听觉的出现,声音要被放大,这就导致了身体结构的一系列变化。
另外还有一个变化就是:鱼类的肩胛骨跟头骨是连在一起的,演化成为人类之后,我们的肩胛骨跟头骨是分开的,这样我们就有了脖子。 登陆的时候,我们还要面临另外一个挑战,就是呼吸的问题。在水里,鱼类是通过鳃进行呼吸的,通过鳃来进行氧气的交换。到了陆地上,我们是通过肺来进行呼吸。在这个变化的过程中,内鼻孔的出现是一个非常重要的前提。它形成了鼻腔和口腔之间的一个通道,有了这个内鼻孔,我们在睡觉的时候,在吃饭的时候,才能照常呼吸。鱼类有两个外鼻孔,而我们人类有一个外鼻孔,一个内鼻孔。
内鼻孔到底是怎么出现的?在学界一直有很多的争论。一个争论就是说,鱼有两个外鼻孔,跟四足动物相近的鱼有一个内鼻孔,一个外鼻孔。▲ 鱼的两个外鼻孔(左),与四足动物相近的鱼的内鼻孔(右)。Zhu & Ahlberg (2004) 这有两种解释,一种解释就是:鱼其中一个外鼻孔变成了内鼻孔。但是这个假说有一个问题,就是内鼻孔是在颌弓的里面,外鼻孔是在颌弓的外面,所以它如何跨过颌弓就是一个问题。另外一个解释就是:外鼻孔丢失了一个,出现了一个内鼻孔。这两种假说需要靠化石来印证。我们团队找到了一个叫做肯氏鱼的化石。这种鱼是比较原始的四足型动物。▲ 肯氏鱼所处的演化阶段,介于原始鱼类和四足动物之间。在它的演化阶段,前上颌骨跟上颌骨之间有一个豁口正好分开了,也就是内外鼻孔跨过颌弓的障碍就不存在了。所以也就认为,我们人类的内鼻孔是从鱼类的后外鼻孔演化过来的。 这是我们2004年的一个工作,解决了内鼻孔的起源问题。其实我们人类的唇裂、腭裂等很多面部发育的缺陷,都是跟这种基因的丢失有关系,我们认为这跟我们的内鼻孔演化事件是密切相关的。对于我们这个研究来说,最最直接的证据就是鱼石螈类。鱼石螈类就是最早的两栖动物,兼有鱼类和两栖动物的特性。▲ 鱼类登陆的直接证据——鱼石螈类。Clack,2005。Clack,2005 鱼石螈它还是有一个鱼的尾巴,身上还有鱼的鳞片,但是它已经出现了指头。还有一些身体结构的改变,比如说它的肩带跟头骨分开了,还有一块骨头到了耳朵里头,变成了听小骨。另外它可能有八个指头,我们人类的五指实际上是后来才稳定下来的。鱼石螈类也有很多发现的故事。斯瓦尔巴德这个群岛,可能有的人熟悉,有的人不知道,但是告诉大家,我们现在建的北极站就在这里。1933年,中国成为《斯瓦巴德条约》的协约国,所以到今天,中国公民仍然可以自由出入斯瓦巴德,不需要签证。当时的北极考察,科学家和探险家们就是从这里出发,向北极进发的。1897年,有三位瑞典探险家从斯瓦尔巴德群岛出发,乘热气球向北极飞去。但是很不幸,那次考察这三个人去了就失踪了。到了1898年,一个瑞典古生物学家,也是地质学家,诺瑟(A.G.Nathorst)组织了搜寻行动。最早还是在斯瓦尔巴德岛进行搜寻,后来搜寻无果,就到了另外一个地方,格陵兰岛。
格陵兰岛虽然地处北美,但是属于丹麦管辖。他们在东海岸的地方发现了很多的化石材料,包括一些鱼类化石的材料,觉得很奇怪。于是1926年到1927年就开始组织了新一轮的考察。当时因为格陵兰岛是属于丹麦的,所以丹麦的地质学家科赫(Lauge Koch)就组织了这次考察,但是头两年并没有什么发现。到了1929年,瑞典的一位古生物学家库霖(O.Kulling)加盟,发现了最早的鱼石螈类的化石材料。这个化石材料在当时非常非常地轰动。因为在始祖鸟之后,鱼石螈类也是生物进化的一个中间的类型。比如它的头已经有点像娃娃鱼了,它已经出现了一些附肢。这是当时的一个卡通画,叫四足鱼。
在这之后,上世纪30年代、40年代都有很多很多的考察。到了1952年,科学家们才发现了第二个泥盆纪的四足动物,叫棘螈。大家看这个化石材料。
最早出现的这种泥盆纪四足动物主要还是生活在水中,它们只是偶尔能够登到陆地上,或者从水里冒出头来。到了上个世纪90年代之后,我们逐渐在全球发现了更多的材料,包括欧洲、澳大利亚、中国等等。▲ 全球范围内发现的泥盆纪化石材料。Scientific American,Clack 2005在大概3.8亿年的时候,泥盆纪的四足动物已经完成了它的进化,已经开始了它的登陆之旅。任何一个泥盆纪四足动物的发现都是非常重要的。这是上周四(10月24日)我们在《Nature》上发表的一个最新发现,是在俄罗斯发现的帕玛螈,距今已有3.7亿年。▲ 帕玛螈复原图。Beznosov et al. (2019)大家看,帕玛螈仍然还是生活在水中,它的头顶上长了两个眼睛。它的眼睛为什么要长到头顶上呢?针对这个问题,我们的解释是:整个登陆的过程是有一些先决条件的,眼睛露出水面就是其中之一。地球上生命的演化,最早登陆的是一些植物,接着是无脊椎的动物,然后才开始鱼类的登陆。如果没有前面的这些铺垫,鱼类爬到陆地上,面对的就是一片荒芜,它根本没东西吃,那就没有登陆的必要。所以说,整个演化是一个环环相套的过程。
我给大家讲了这么多,就是展现了一个鱼类登陆的过程。从最早鱼类的出现,大概是5.2亿年,最后到3.8-3.7亿年逐渐开始登上陆地。我们人体几乎所有的结构,都可以追溯到遥远的过去。这是我们把人体的一个骨架投射到了泥盆纪的鱼类身上去,我们在找人类身体结构的来源。▲ 现代人骨骼按比例追溯到一条古代鱼。Long (2006) “我们从水里来”,我们人类从鱼演化过来,是一个漫长的过程,我们科学家会通过化石材料,找到这个演变过程的出处和证据。这是非常重要的。因为它能够帮助理解:我们人类的很多身体结构,比如我们的上颌、下颌,我们的牙齿,我们的肩胛骨,我们的腿骨究竟是怎么来的。
实际上,这对于我们怎么去理解我们的现在也是非常重要的。我想,我们只有更好地去了解我们的过去,才能更加清晰地认识到我们是谁,才能够更准确地预知我们的未来,知道我们会走到哪里去。 |