他们,做了一个违背祖宗的决定!| 地球知识局

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据说地球人民都关注分享我局了(⊙v⊙)

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NO.2370-违背祖宗的决定

作者:Phynix

制图:金枪鱼 / 校稿:辜汉膺 / 编辑:金枪鱼

迎着早上的阳光,你出门上班。和煦的微风吹拂在你的脸上,听着清晨鸟儿的歌声,你感到神清气爽。你惬意地做了一个深呼吸,让肺中充盈着新鲜空气,然后迈着轻快的步伐走向车站。

这一切都是如此的自然,作为一生大部分时间都生活在陆地上的人类来说,的确如此。在空气中呼吸,直接暴露于日光之中而没有脱水,在坚实的地面上行走,用耳朵为感官捕捉周遭的环境信息,这些都是陆生脊椎动物才有的特征。

然而,我们远古的祖先曾经是一生都生活在海洋中的。地球生命起源于海洋,而从适应海洋环境到适应陆地环境,面临着巨大的挑战。现代人用“上岸”来调侃终于完成了一件艰难挑战,确实也十分贴切了。

我等的鱼,它在多远的未来

(图:壹图网)▼

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人类的老祖先从海洋中爬上岸,迈出生命演化史上的一小步,可是颇费了一番周折。

登上陆地需要做好哪些准备?

登上陆地需要做好哪些准备?

以脊椎动物为例,登陆前要面对五大挑战:支撑、运动、进食、感官、繁育。

① 支撑

想上岸,首先要获得足够的支撑。这里的支撑,主要指肢体对体重的支撑。海生脊椎动物因为有水的浮力抵消重力,但陆地环境中没有浮力,全身的重量就需要更加强劲的骨骼、关节与肌肉进行支撑。

鲸鱼的肌肉也和陆生哺乳动物的不同

丰富的肌红蛋白使它们的肌肉能储存很多氧气

(图:shutterstock)▼

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② 运动

不同于在水中游泳,有肢体的生物在陆地上行进时主要依靠肢体的前后摆动。在摆动的过程中,手足处的关节也需要能做出相应的翻转动作,以保证下一步总能稳稳地着地。

在水中和陆地上的不同前进方式

鱼(左1, 2)、蝾螈(右2)和恐龙(右1)

(图:修改自Kenneth, 2012)▼

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在不同的环境中,自然选择筛选出了特化的肢体造型

(图:壹图网)▼

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③ 进食

进食与呼吸是相伴随的,这都涉及到口部运动方式和连接方式的变化。鱼类用将血液与水流中的氧气交换,鳃部开放以供水流通过,活动关节多;而陆生脊椎动物用呼吸空气,腮部闭合,头骨骨片愈合形成一个结实的头盖骨,仅上下颌关节可活动。

鱼用开放的鳃吸收水里溶解的氧气

颜色越鲜红说明氧气含量越丰富

(图:shutterstock)▼

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④ 感官

对于环境的感知与调节方式也要变。鱼类在水中靠侧线系统感知水流判断方位,但在陆地上,这套感觉系统则让位于听觉。陆生脊椎动物中耳里面的镫骨,就是由鱼类的舌颌骨演化而来。

鱼类用于感知水流压力的体侧线

帮助他们在海里不至于迷路

(图:壹图网 /shutterstock)▼

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⑤ 繁育

繁育是证明生物可以完全适应陆地生活的最后一步。两栖类繁育后代的方式可被视作是陆栖繁育的雏形,即首先将卵产于水中,先孵化成蝌蚪,再经变态发育长成成体。

脆弱的幼体还不能摆脱水生环境

变态发育就是把复杂任务拆解的绝佳模板

(图:shutterstock / 壹图网)▼

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唯有上述条件均满足时,才证明脊椎动物真正实现了由海洋生活向陆地生活的转变。

所幸的是,支撑、运动、进食与呼吸等特征可由骨骼化石的特征反映出来,我们今天可以借此推断远古的脊椎动物是否具备了陆生的能力。

一具完整的化石,在专家眼里和在普通人眼里

信息量截然不同(图:shutterstock)▼

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脊椎动物冒险者的先驱:提塔利克鱼和棘螈

脊椎动物冒险者的先驱:提塔利克鱼和棘螈

说到陆生脊椎动物的祖先,不得不提到提塔利克鱼(Tiktaalik roseae)

这是一种生活在3.75亿年前的大型古老鱼类,全长可达2.5米。头后的鳃和躯干上的鳞片证明它仍然生活在水中,但是它那呈三角形的扁平头骨和切肉刀一样的鳍则表明,这种大鱼具备把头和身体探出水外的本领。

从鱼鳍到四肢,从水到陆地,改变了当时的游戏规则

提塔利克鱼(图:shutterstock)▼

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提塔利克鱼出现了肩部骨骼,并与肢骨相接,肢骨结实粗壮,上面还有显著的肌肉附着痕。这些特征都表明,提塔利克鱼骨骼强壮,肌肉结实,依靠鳍足以将其自身支撑起来,并在陆地上进行短距离的移动,就像今天的弹涂鱼一样。

目前来看,提塔利克鱼很可能是包括人类在内所有陆生脊椎动物的祖先。

弹涂鱼也可以短暂地登上陆地,并用前肢拨动前进

(图:shutterstock)▼

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提塔利克鱼的化石发现于加拿大的埃尔斯米尔岛。该岛现在位于北极圈之内,但在3.75亿年前的泥盆纪时代,这里正位于赤道附近。

提塔利克鱼生活在温暖潮湿的河流前滩附近。构成河底和河滩的泥沙湿滑易陷,浅浅的河水又使得游泳也并不算痛快。在这种需要时而划水游泳、时而足踩泥泞的环境中,提塔利克鱼率先演化出了可以支撑身体的鳍,获得了短暂的地面行走能力。

脊椎动物从水生到陆地的进化历史中

提塔利克鱼是关键的转换环节

(来源:芝加哥大学)▼

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作为第一条具有行走能力的鱼,提塔利克鱼是脊椎动物从鱼类向具备四肢的四足类演化的转换环节,在脊椎动物演化历史上具有重要的里程碑式意义。

尽管提塔利克鱼已经达成了支撑和运动这两个条件,但它还没有真正的四肢,进食与呼吸还达不到陆生的特征。直到1000万年后,真正具有四肢的脊椎动物才出现。棘螈,就是最早具有四肢的脊椎动物之一。

是棘不是刺哦,注意和人们常常说的二刺螈区分

(图:Youtube © Paleozoo)▼

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棘螈(Acanthostega gunnari)生活于距今约3.65亿年前的泥盆纪晚期,全长约60厘米。棘螈的四肢末端不再是鳍条,而是真正出现分叉的手指和脚趾,肩部和臀部的骨骼也更为强健。

然而,由于它的肘关节与膝关节尚不灵活,小臂及小腿并不能弯折,这使得棘螈的四肢仍只能直直地向体侧伸着。这种姿势在水中游泳尚可,但支撑身体登陆恐怕太为难了。

棘螈的生态复原图。关节不灵活的棘螈依然只能在水中生活

(图:壹图网 / 维基百科)▼

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演化了1000万年,难道棘螈在上岸这件事情上,本领还不如提塔利克鱼?也不尽然。科学家们研究了棘螈的头骨,发现其头骨的功能与陆地动物一样,可以进行啃咬而非吸食。

这说明,棘螈在能完全上岸之前,就已经具备在陆地捕食的特征了。“民以食为天”,动物也不例外。确保上岸之后能吃饱,这事儿还是挺重要的。

可惜的是,提塔利克鱼虽能支撑身体,但运动能力还是勉强。棘螈虽然有了在陆地上捕食的本领,也有了完整的四肢,但这四肢尚不够强大,还是不足以帮助它上岸。

脊椎动物登陆过程中肢体的演化过程

(图:science20)▼

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这个时期的脊椎动物,距离上岸依然差了那么几步。但不可否认,提塔利克鱼和棘螈都是脊椎动物的“开陆”先锋,开启了对陆地生活的冒险。

遗憾的是,到底哪一种脊椎动物最早登陆,现存的化石证据依然太少,我们无从得知。我们现在知道的是,在距今约3.4亿年前的石炭纪早期,脊椎动物已经充分具备了登陆的能力,可以在陆地上进行长久的活动了。

我们只能通过化石证据

去一点点求证推论亿万年前的真相

(图:Davide Bona © news.harvard)▼

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脊椎动物费尽周折上岸之后,发现它们并不是第一名。率先登陆的成功者另有其人。

捷足先登的成功者:古马陆

捷足先登的成功者:古马陆

脊椎动物登陆成功之前,节肢动物已经在陆地上生活很久了。其中的代表成员是古马陆。

古马陆(Arthropleura)出现于距今3.45亿年前,是目前已知最大的陆生节肢动物。古马陆是当今马陆(蜈蚣的近亲)的加大加强版,其体长推测可达1.9米到2.6米。

脊椎动物好不容易以为到了新天地

结果发现有个大家伙已经捷足先登

腿多果然跑得快(图:Flickr)▼

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和脊椎动物相比,以古马陆为代表的节肢动物具有外骨骼,即支撑与保护身体的甲壳在外。厚重的躯干甲片可以保持体内的水分,位于腹侧的气门起到在空气中呼吸的作用。虽然看起来很凶猛,但古马陆却是一种植食性生物,生活河流边的湿润环境中,以孢子、叶子和种子为食。

在登陆这件事上,古马陆可算是成功者的代表。

现在的古马陆只能作为幻想生物活在化石和创作里

(图:壹图网)▼

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虽然古马陆登陆成功,其体型也曾鲜有敌手,但脊椎动物的上岸可能还是对它的生存构成了威胁。目前认为,具备啃咬能力的陆生脊椎动物很可能会捕食古马陆,而石炭纪周期性的河水干涸也对古马陆的生存造成了一定影响。

最终,古马陆在2.9亿年之前绝灭,陆地生态系统中最大的动物,此后只出现在脊椎动物之中。

古马陆由于来得太早没有天敌

在战斗天赋上疏忽了的样子

(来源:纪录片《与怪物同行》)▼

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生物由海向陆的演化,是地球生命历史中浓墨重彩的一笔。这一事件深远地改变了这个星球的生态系统,创造出了除海洋之外的又一片焕发生机的领域。这一过程漫长而复杂,生物在河滩上印上第一枚足迹之前,是自然选择在海洋生命中长达千万年的积累。

《侏罗纪公园》中马尔科姆博士说道:“生命会自己寻找出路”,不息的生命永远在探索中前进,开拓生命演化的新篇章。

Creatures find a way

这就是我们一路走到今天的全部理由

(图:Flcikr)▼

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参考资料:

[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., Rößler, 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.

*本文内容为作者提供,不代表地球知识局立场

封面:壹图网

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