请安息吧,查尔斯●达尔文 精选

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已有 10053 次阅读 2013-9-23 10:50 |系统分类:科普集锦| 进化, 寒武纪生物大爆发

梦回寒武寒武纪生物大爆发之解

梦回寒武纪:蜈蚣与三叶虫同属节肢动物竟相隔5亿年(Michael Lee 摄)


进化最神奇之处是,有的动物改头换面,变得连他娘都不认识它,而有的动物却静观其变,亿万年依然固我,生生不息。经历了几十亿年的变化,或快或慢,或简单或复杂,在不断的产生和不断的灭绝之中,致使如今的生物起源过程变得极其难以解答。

5.3亿年前的某一天,没有任何表征,任何异常,也没有任何人注意到(那时还没人),生物突然如天降大雨一般,爆发式地出现在了这颗蓝色星球之上。研究生物进化的科学家将其称之为寒武纪大爆炸。数量之丰富,形态之复杂,让研究物种进化和起源的大科学家达尔文百思不得其解。为什么寒武纪突然就出现这么多生物呢?

达尔文认为,物种是不断进化的,是自然选择的作用导致新物种产生。因为自然环境有差异,物种便慢慢产生了。达尔文的观点听起来,有点像两兄弟分家,两弟兄分开之后若干年之内便形成两大家族。然而5.6亿年前的寒武纪,为什么这么多的生命形态,和物种突然就出现了呢?这不科学啊!达尔文对此直到年老死时依然尚未有头绪。和动物的利他行为一样,达尔文生前很担心有人用寒武纪生物大爆炸的理论反驳他的自然选择,在其书里也不敢多谈。

在生物进化史上,第一个动物起源于7.5亿年前,而直到脊椎动物于5.2亿年前诞生,生物化石才保存下来。这个脊椎动物便是1998年中国古生物学家于昆明发现的昆明鱼(Myllokunmingia)。昆明鱼成了动物进化的分水岭。远在寒武纪早期,生命还只是一些单细胞生物或游走于淤泥之间软体动物,怎么会突然就出现大量动作迅速,头脑聪明的生物呢?很长一段时间内,生物学家提出了几十个假说来解答达尔文的谜团,各说其词,但均缺乏直接的证据。一些古生物学家认为,寒武纪之前生物没有骨骼,动物仍属软体类,化石不易形成和保存。因此觉得生物大爆炸只是个错觉而已,是化石残缺造成的假象。此外,寒武纪的生物一下子就从单细胞到了三叶虫,怎么可能进化的这么快?

很长时间内,古生物学家都在通过寻找化石,解答骨骼系统进化的细节。2012年,地质学家找到了寒武纪生物大爆炸的地质原因。Nature一篇文章发现诱发寒武纪生物大爆发的地质因素。文章认为在动物脊椎诞生之前的前寒武纪,海洋中已生活着大量海绵、水母,以及两侧对称的蠕虫等众多生物。生活在海洋里生物具有丰富的遗传资源,变异能力,完全拥有了进化出外骨骼的潜力。由于寒武纪海平面上升,促使大量陆地地区成为浅水区域,在阳光的照射下,海水侵蚀岩石,溶解养分,形成众多的新生境。此外,随着养分溶解进入潜水水域,大量钙质也溶解进水中。软体动物并不能像利用NP那样利用钙,钙质反而是一种毒素。为了解毒,海洋中的软体动物将钙质积累排出,并渐渐学会利用钙质,最终进化发展出脊椎或或外骨骼系统。脊椎动物速度更快,攻击和防御能力也更强,钙质形成的矛和盾在食物网中形成军备竞赛,进而导致了寒武纪生物的大爆发

科技进步改变了科研的手段,也改变了人类对自然的理解。现代科学慢慢摆脱了传统的化石统计对比的单一手法,开始利用分子遗传手段和基因组研究的方式,或将化石与遗传二者结合,研究物种的进化速度。先是通过比较蚂蚁等具有利他行为生物的遗传物质,发现利他行为其实也是发生在具有亲缘关系的个体之间,所谓的亲缘选择解决了达尔文利他的谜团。现如今,通过对比分子和基因组,分析物种的进化速度,科学家也解开了寒武纪生物大爆炸的谜题。

Current Biology 刚刚发表一篇文章探讨了节肢动物(包括昆虫、蜘蛛和甲壳类动物)的进化速度。结合解剖学和遗传分析的手段,研究对比分析了节肢动物的62个基因和396个物理特征,发现寒武纪时期生物的遗传变化速度比之后的5亿年间要快5.5倍,而新特征的出现也要快4倍多。证实了寒武纪时期生物进化速度确实要比后来快很多,这或许便是寒武纪生物大爆炸的遗传基础。

达尔文提出生物为什么在5.6亿年前的寒武纪突然大爆发?。古生物学家认这可能是由于化石不足所造成的错误认知。寒武纪之前,海洋生物积累了足够的遗传多样性和变异性。直到寒武纪之前不久,海平面上升淹没了很多陆地,大量养分和钙质融入水中。钙作为毒素,海洋生物进化出新策略,积累钙质,进化出为外骨骼,所以能以化石保存下来,地质上满足了脊椎动物进化的条件;另外,遗传分析证实寒武纪的生物演化的速度确实很快,综合因素导致了寒武纪生物大爆发。

生物进化发展到今天,无论从化石收集还是研究技术手段上,均取得了巨大的进步。寒武纪生物大爆发的科学问题,或许仍有诸多细节问题有待探讨,但确实得到了各个层面和角度的解答,结论颇令人信服。九泉之下的达尔文再也不必为寒武纪生物大爆发的问题而发愁,晚上睡不着觉了。伟大的博物学家查尔斯达尔文,感谢你那孤独而寂寞的灵魂,请您安息吧!

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