达尔文告诉我们,沿着生命的演化之路,我们可以从人追溯到鱼。也就是说,时间倒回4亿年前,我们的祖先就是一条登上陆地的鱼。很多人知道,鱼向四足动物(四足脊椎动物)的进化是脊椎动物进化中最重要的转变之一。这并非易事,其中最重要的巨变之一就是:它们的鱼鳍变成了“手”。长期以来,科学家一直在努力找寻有“手”的鱼类化石。
脊椎动物由肉鳍鱼进化而来,肉鳍鱼的肉质状偶鳍像我们的胳膊和腿一样,里面有骨头(其他鱼类没有)。目前科学家就四足动物起源提出的假说,主要是基于一些泥盆纪中晚期(距今3.59—3.93亿年)四足动物鱼类化石的解剖结构。这些类群被称为腕骨类目,包括Panderichthysrhombolepis, Tiktaalik roseae和Elpistostege watsoni。我们可以分别称它们为“潘氏鱼”“提塔利克鱼”和“希望螈”。
图片来自腾讯新闻:潘氏中国螈(Sinostega),它是在我国宁夏发现的我国迄今为止最早期的鱼石螈类
2022年7月20日,著名的提塔利克鱼的发现者尼尔·舒宾的研究团队在《自然》杂志发表论文称,在加拿大北极地区发现了晚泥盆世的一种新的elpistostegalian——Qikiqtania wakei。[1]“Qikiqtania”这个名字来自因纽特语单词“Qikiqtaaluk/Qikiqtani”,是该化石遗址所在地区的传统名称;而物种命名为“wakei”是为了纪念已故的戴维·韦克,他是加州大学伯克利分校一位杰出的进化生物学家。
elpistostegalian是什么动物?古生物学者一般把它们看作一个进化上的盲枝。它们有许多与两栖动物极其相似的特征:肛门消失(只保留一个泄殖腔);背鳍消失;肋骨形态变化,头骨数量减少,以及具有早期两栖动物的迷齿。
尼尔·舒宾团队在论文中提及,有肢脊椎动物起源研究中有一个关键的空白区,那就是如何理解它们最近亲属的形态和功能多样性。虽然对提塔利克鱼等elpistostegalian的分析揭示,它们的运动、进食和呼吸结构都发生了一系列变化,但是有一块孤立的骨头(一根假定的肱骨)似乎在暗示,其形式和功能比人们现在所认识到的更广泛——当然仍存在争议。
此前,澳大利亚弗林德斯大学的理查德·克卢捷(Richard Cloutier)团队曾同样在《自然》杂志发表论文,揭示了希望螈和脊椎动物手的起源。[2]他们对一件来自加拿大的上泥盆纪时期希望螈标本进行CT扫描。这件标本长1.57米,是截至此时发现的最完整的腕骨类目。三维复原结果显示,这种鱼既有鳍条包裹,也拥有明显的指骨。
相比鱼类祖先,提塔利克鱼的鳍变得更小、更简单。它们保留有胸鳍,但是鱼鳍中已经具有骨骼支撑了,只是还缺少明确的指骨。此外,提塔利克鱼胸鳍的鳍条很不对称,腹侧的鳍条比背侧的鳍条小好几倍——研究者推测,这可能说明在胸鳍的底部,形成了一层肌肉(类似于四足动物掌心的肉,尽管还不足以支撑它们上陆,但可以帮助它们在河底移动)。
潘氏鱼的鳍骨骼结构末端有四个分化非常明显的远端桡骨。这些手指状的骨头没有关节,而且相当短,但仍然显示出一种介于完整的鱼鳍和四足动物之间的中间形态。
希望螈更为接近四足动物。在鳍条包裹的胸鳍中,研究者不仅可以清晰地看到肱骨(对应我们的大臂)、桡骨和尺骨(小臂)、腕骨(手腕)和掌骨(手掌),甚至还发现了两根明确的指骨,以及三根可能的指骨。
而尼尔·舒宾团队在加拿大北极地区发现的这种新的elpistostegalian显示了该类群惊人的差异。这种生物被归为一个新属,在系统发育上接近提塔利克鱼和希望螈,但与这两个类群和其他已被描述的四足动物都有显著差异。它的胸鳍没有突起、关节方向和肌肉疤痕,这表明它处在坚硬的基底上时有附肢支撑;而它的胸鳍显示出与其他肉鳍类动物不同的游泳特性。
研究人员发现,这种新化石与其他向陆地过渡的动物关系密切,但具有更适合游泳和水里生活的特征。芝加哥大学的马特·伍德评论说:这块新的化石似乎在告诉我们,当提塔利克鱼冒险上岸时,它体型较小的近亲Q. wakei回到了水里!
尼尔·舒宾说:“一开始我们认为它可能是幼年提塔利克鱼,因为它体型更小,可能其中一些过程还没有发展。”“但肱骨是光滑的,形状像回旋镖,不具备支撑它往陆地上爬的要素。这显然与提塔利克鱼不同,暗示了一些新的东西。”是的,提塔利克鱼的发现者告诉我们,在鱼登上陆地的过程中,它们的鱼鳍中长出了骨头,然后,它们再次回到了水里。这种意想不到的形态和功能多样性,或许能带我们进一步接近有肢脊椎动物的起源。
从年代来看,Q. wakei比提塔利克鱼年代稍微久远一些,但相差不大。尽管它独特的胸鳍更适合游泳,但它也不完全像鱼。马特·伍德说,我们倾向于认为动物是沿着一条直线进化的,将它们的史前形态与今天的一些生物联系起来,但Q. wakei表明,有一些动物在一条不同的道路上进化,尽管最终没有成功。
“提塔利克鱼经常被视为一种过渡动物,因为透过它很容易看到从水中生命到陆地生命的逐步变化模式。但我们知道,在进化过程中,事情并不总是那么简单,”尼尔·舒宾团队最新论文的第一作者斯图尔特说,“我们很少看到这部分脊椎动物的历史。现在我们开始发现这种多样性,并了解这些动物的生态和独特的适应能力。这不仅仅是在数量有限的物种身上发生的简单转变。”
在达尔文的时代,由于科学家尚未掌握DNA技术这种强有力的重要工具,同时缺少过渡型化石,因此有不少问题无法得到圆满的解释。达尔文不了解DNA,也不了解细胞的运作方式,更不了解在胚胎发育过程中遗传物质如何构建了躯体。事实上,DNA不断扭曲、旋转,与自身和外部入侵者交战,为演化变革提供了动力。我们的基因组中有10%由古老的病毒组成,另外至少60%是由疯狂的跳跃基因构成的重复单元,只有2%是我们自己独有的基因。
尼尔·舒宾在他的新书《解码40亿年生命史:从化石到DNA》(Some Assembly Required)中说:“随着不同物种的细胞和遗传物质融合,以及基因不断重复和改换用途,生命演化的历程就像一条蜿蜒曲折的河流,而不是一条笔直的大道。大自然母亲就像一个懒惰的面包师,通过对古老的食谱和成分进行复制、修改、改换用途和重新安排,制作各种令人迷惑的调配食物。就这样,通过亿万年的加装、复制和增补,单细胞微生物的后代已经遍布地球上的每种生境,甚至登上了月球。”
正如我们已经看到的那样,许多使得动物可以在陆地生活的变化产生于鱼类在水中生活的时期。事情并非始于我们认为它们开始的时候:祖先比我们想象中出现的时间更早,出现的位置也与想象中不同。150多年前,达尔文在回应圣乔治·杰克逊·米瓦特的质疑时就已经知道,这几乎是生命演化史的唯一发展方式。
鹦鹉螺编室根据尼尔·舒宾《解码40亿年生命史:从化石到DNA》(Some Assembly Required)