动物进化史

?地球是宇宙中最神奇的本质,是自然的奇迹,是成千上万种不同生命生活的家园。在所有这些生命形式中,作为地球整个生命周期中一直占据着与环境相互作用高峰的生物,动物脱颖而出,几乎占据了地球的每一个角落,形成了独特的庞大食物链和生态圈,也进化成了如今号称地球上最高物种的人类。然而,问题来了。这些形形色色的动物是如何产生的,又是如何发展的?这个故事得从很多很多年前的远古地球说起…

?在古老的地球上,为了争夺生存所需的资源和空间,原核细菌和最古老的古菌展开了一场史诗般的战斗。最终,结构复杂、与环境交互方式更加多样的原核生物终于战胜了古细菌,而作为战利品,除了巨大的生存空间和资源,还有一个额外的奖励——由于细菌和古细菌之间的战争一般都是互相吞噬,有些古细菌被细菌吞噬后并没有死亡,而是与细菌形成了奇特的内生。这部分古细菌被称为线粒体和叶绿体,它们分别产生了转化有机物提供能量和通过光合作用产生有机物的功能。有些细菌吞噬了两种古细菌,即线粒体和叶绿体,从而获得了光合作用的能力,形成了最早的植物,而有些原核生物只吞噬了线粒体。

但是,这种划分是在后来动植物的进化越来越清晰的时候才出现的。当时任何生物都只是单细胞生物,只有很小的单细胞体,所以很难区分动物和植物。我们对植物的一般定义是它们可以进行光合作用,而对动物的一般定义是它们可以自由移动,但一个体内有叶绿素的单细胞生物却可以活蹦乱跳。你认为是动物吗?是不是种的比较好?确实令人费解,但无论如何,我们仍然可以通过我们既定的判断方法来判断一系列确切的动物,动物的历史无疑是从单细胞动物开始的。

这种原始的单细胞动物存在于路边的池塘和河流中。它们有的靠体表的纤毛运动,有的向前蠕动,有的靠自己细胞内的细胞质蠕动。其中,最常见的结构最简单明显,但麻雀是小而全的草履虫。从草履虫身上,我们也可以确切地窥见单细胞动物的形态模式。

从外观上看,草履虫有覆盖着细胞膜的椭圆形体,体表有一层厚厚的纤毛,体表内部半透明,但半透明中有一些浑浊的大大小小的球形结构和一个细胞核。在具体的生存策略上,草履虫围绕进食、繁殖和运动三个方面展开。首先,在这方面,草履虫采用了独特的过滤摄食方式:它借助滤孔结构不断吸收外界水分和水中的营养物质,然后将混有营养物质的水转化到体内吸收,最后借助一些小孔排出。在运动中,草履虫利用纤毛作为一个整体来运动,而在最后也是最重要的繁殖中,草履虫选择了一种主要的以人为单细胞生物或细胞的分裂繁殖方式(但两个草履虫可以一起交换遗传物质,形成类似两性繁殖的繁殖模式)。

?然而草履虫麻雀虽然小而全,吃的、养的、运动的都还不错,但它依然只是一个小小的、脆弱的生物,一个大风大浪就能随随便便毁灭,甚至还能靠天吃饭。它与环境的相互作用能力很低,所以它只占据了整个海洋中适合生存的极小一部分,它活了下来,开始相互争夺资源。于是,进化的压力再次出现,优胜劣汰的进化再次开始。在缓慢突变和环境选择的过程中,一些单细胞生物已经成功退化。这些生物学会了一种利用化学信号聚在一起的方法,形成了一个多细胞的有机体,一座生物摩天大楼,也使每一座生物摩天大楼里的细胞分化成不同的形态来履行自己的职责,保证了整个建筑的良好运转,从而“自行车变成了摩托车”。

海绵有一个细长的身体,形状各异。全身周围都是各种小孔,身体中央有一个大洞。多细胞分化的独特结构不仅提高了其适应环境和抵抗恶劣环境的能力,还极大地改善了其觅食方式和繁殖能力。在觅食和消化时,利用全身的小孔吸收水中的营养物质,首次出现完整的消化系统。营养物质转移到身体中部的消化腔进行统一消化,消化完成后,代谢废渣通过身体中央的大孔统一排出,形成一个紧密的循环。在繁殖方面,海绵首次以一个胚胎的形式开始繁殖(当然也可以进行出芽繁殖),加强了后代的存活率。此外,海绵还有一个极其变态的能力,就是可以重组身体:无论被切成多少块,都可以复原。这是因为海绵在自然界中只是单细胞生物的大集合体,所以当尸体分解时,细胞并没有死亡,这些细胞会发出化学物质来寻找其重组的原因。

但是为了达到这座摩天大楼的多细胞生命形态,海绵基本上已经完全放弃了运动。虽然在繁殖和进食方面有所改进,与环境的互动能力也有所加强,但它已经成为一种接近植物的不动物种,所以只要遇到任何天灾人祸,都会因为不动的特性而等待死亡。所以在漫长的进化中,那些能一点点移动的变异海绵占据了进化的优势,一点点移动的沉默不断繁衍,直到最后进化出一种完全新的棘皮动物物种,既延续了海绵多细胞动物的优点,利用内腔消化,也解决了海绵只能原地站立的缺点,进化出特殊的运动系统和肌肉层,使其在水中缓慢但踏实的移动。此外,还形成了最初的神经系统,从而控制身体。最后,还有棘孢囊的独特技能,它是由棘孢囊专门分化的独特细胞。它没有毒素和毒针,可以在关键时刻弹射出去刺伤猎物,所以棘皮兽在一定程度上已经可以捕猎了。在繁殖方面,腔肠动物采用自萌繁殖的方式,而仙女海绵并没有太大的进步。

之后,动物并没有停止进化。运动系统不是运动很慢吗?神经系统是不是太原始了?消化系统消化不落后吗?没问题,棘皮动物巧妙地解决了所有这些问题后,动物的变形就进化了。首先是运动系统,扁平动物进化出了对称的身体,加强了方向感,某些种类的个体能够凭借高效的纤毛快速运动,然后是消化系统。这种扁平的动物不仅进化出了用于吞咽的咽,还进化出了许多密集的肠道和神经系统。扁平动物进化出了清晰的神经结构和最原始的大脑,甚至进化出了第一只感光器官眼睛。最后,在繁殖方式上,扁平动物采用了自我繁殖的方式,但是在环境不好的时候可以使用两性繁殖,以提高后代的变异率,这一点和带刺动物相比可以说是差了几条街。

?但还是和草履虫一样的问题。你的平板动物有多高级?只有不到10厘米长。在庞大而不可抗拒的大自然面前只是一粒微小的尘埃。看起来好无奈。于是,为了解决个体渺小却需要面对整个邪恶环境的问题,一些扁平动物在进化中另辟蹊径。利用寄生直接生活在其他巨型生物体内充满营养物质的消化道区域,出现了一种专门为寄生而设计的动物——线性动物。?

?线形动物把自己的身体进化成了细长的身体,在身体上覆盖了坚硬的角质层,这样就可以在宿主体内自由穿梭,窃取宿主所吃的营养物质。最后,它们第一次拥有了有嘴有肛门的消化系统,拥有了超级快速高效的身体器官。利用这些寄生优势,线性动物可以说是在宿主体内爆发了。问题是,线性动物这样的寄生策略,确实增加了它们生存的轻松和舒适,但是宿主活下来了,它就活下来了。当宿主死亡时,它将不得不死亡,失去与环境相互作用的独立性。毕竟不是长久之计。所以后来线性动物又从寄生模式中走出来,变成了环节动物,它的代表动物蚯蚓进化成了环节的巅峰:

?蚯蚓的形状像一条略粗的线,两边窄,中间宽,但这条线是由一个又一个小环节组成的,有几百个小环节,组成了蚯蚓的全身。身体呈褐色,略透明,有光泽。如果从上往下看蚯蚓,可以清楚地看到,它细长的身体从前到后贯穿着一条暗线,还有一个非常明显的器官:环,距离蚯蚓头部约三分之一。在运动方面,它采用刚毛和环节的爬行,身体是分段的。繁殖方式为雌雄同体繁殖。饲养方式是利用土壤中的腐殖质,用强大的消化器官消化,获得营养。在获得呼吸的能量来源之一氧气时,采用通过呼吸道呼吸的方法。但更重要的是,从蚯蚓开始,生物就有一个循环系统,将氧气和养分输送到全身和最原始的心脏。

蚯蚓后来是一种动物软体动物,它抛弃了身体的大部分部位,将身体改造成柔软的无骨肌肉,并学会了制造坚硬的甲壳动物。以蜗牛为代表,软体动物不仅把雌雄同体的策略发展到了顶峰,在繁殖中利用爱情载体进行战争,产生了孕育蛋白质的柔软结构,还把消化系统发展到了微生物的巅峰水平:用舌头进行物理消化,用体内的肝、胆、胰进行胀气的化学消化。

要问什么是软体动物的硬伤,无疑有两个。一个是太软的像一团移动的脂肪的身体,一个是太重的覆盖不了身体的外壳。我该怎么办?一些软体动物或环节动物找到了一种方法:它们只需要全身披甲,然后把这个披甲的身体分成身体的各种结构。这样一种既能生活在地球表面,又能生活在天空的开挂动物出现了:节肢动物,它们依靠自己盔甲般的外骨骼支撑身体,保护身体,通过分化成不同的结构,进化成了在天空中进入地球的器官,可谓是进化链中的巅峰,甚至知道它仍然是当今世界上最大的物种。节肢动物似乎已经达到了进化的顶峰,通过将身体分成更多的身体器官而成为最强大的,但事实真的是这样吗?并非如此。虽然节肢动物具有节肢动物的各种优点,但也有几个最大的缺点:第一,节肢动物从出生开始就包裹在节肢动物身上的坚硬的外骨骼不能随着节肢动物的成长一起成长,所以节肢动物要想继续成长,就必须脱下原来的外壳,换上新的, 但这个蜕皮期往往是最危险的(各种昆虫的蜕皮过程大家肯定都见过)第二:就像软体动物的外壳限制了软体动物的发育一样,节肢动物的外骨骼其实也在一定程度上限制了节肢动物的大小。 此外,节肢动物没有强大的呼吸系统,因此它们的身体大小一直受到限制,以至于我们今天在陆地上看到的节肢动物大多不到20厘米长。那么,我们该怎么办呢?随着进化的发展,节肢动物的一些分支找到了解决办法:这些分支将身体的外骨骼内化,成为一种叫做脊椎的新东西,从从外部支撑身体变成从内部支撑身体,不仅使身体的支撑更加稳固,还省去了剥皮的过程。同时,口腔中的几个外骨骼进化成了下颚,加强了咬合力。哒哒!一种新的鱼类诞生了!随着鱼的诞生,一些新的系统开始出现,包括成熟的呼吸系统、内分泌系统、泌尿系统和发育成大脑的神经系统。

有一段时间鱼主宰了海洋,今天仍然如此。然后呢?鱼的发展方向在哪里?这不是没有被人注意到的广大土地!是的,当鱼在海洋中没有任何对手,但是因为生存的压力,开始在种族内部争夺资源。海洋旁边的陆地,只有植物,没有竞争压力,自然吸引了一些在资源竞争中处于弱势地位的鱼群的注意。这部分鱼随后开始为登陆陆地的进化做准备。慢慢的,在适者生存的过程中,出现了介于水生动物和陆生动物之间的两栖动物。两个阶段虽然成年后可以离开水生活,用肺呼吸,但产卵时不能离开水,幼崽还是用塞子呼吸。但与鱼类两栖动物相比,它们进步很大,在运动中充满肌肉,跳跃能力大大增强,在循环系统中成功进化为一个心房和两个心室,从而增加了呼吸。随着时间的不断进化,两栖动物终于脱离了对水的依赖,变成了浑身长满鳞片的爬行动物。它们采用四肢爬行的运动方式,并为自己的幼仔进化出了一种独特的不用水生存的方法——产卵。

事实证明,爬行动物采取的策略是积极有效的,甚至一度允许爬行动物繁衍恐龙成为时代的霸主。但是由于一些至今不为人知的原因,恐龙灭绝了,爬行动物直到现在也是满目疮痍。相反,在爬行动物的压迫下,为了躲避爬行动物和恐龙的追击,它们在烟火中慢慢接近天空,繁殖的鸟类幸存下来,成为一个强大的物种。鸟类最大的特点就是能在天空中翱翔。为此,鸟类减轻了自身身体骨骼的重量,进化出了专门用于飞行的器官翅膀,并加强了支持翅膀扇动的胸肌。为了给高空飞行提供足够的氧气和能量,鸟类的身体进化出了极其加强版的二级呼吸肺和气囊以及高效的消化系统,而在神经系统上,鸟类最先开始让大脑变得巨大。它成为了一个“聪明”的物种,而鸟类与之前的所有生物相比,有一个独特的特点——体温恒定。有了这个buff,鸟类适应不同环境的能力大大增强。

最后,它也是一种躲避恐龙的小生物。为了更好地传递处于危险中的后代,胎生母乳喂养已经演变为一种提高后代存活率的方式。本来这没什么,但是因为胎生哺乳彻底提高了生物后代的质量,这种变化使得所有哺乳动物的结构都成倍的复杂,复杂的身体结构构成了更多变异的可能性,也就是进化的可能性。于是,通过这种能力,哺乳动物在短短几千万年内迅速占领了海洋、天空、陆地三大生态位,全身九大系统一应俱全,大脑极度发达,成为进化链上最高的动物,哺乳动物是目前已知进化量最高的动物。

?但是生命的进化结束了吗?远非如此,我们所说的进化,其实是物种与环境一次又一次不断相互作用产生的,所以也可以认为是环境与物种相互作用的可视化。只要环境还是那个环境,物种还是物种本身,还是在我们今天定义的生命范围内。这种象征着生物与自然相互作用的进化不会消失,最终会进化成新的物种,创造新的生命奇迹,甚至最终会进化成我们今天根本无法理解的生命形式。

?如果放宽了对生命本身的定义,就不再局限于生命是由有机物构成的,也不再局限于生命必须以生命的方式与环境相互作用。整个世界的一切都被视为生命的一部分,比如任何原子和金属都被概括为一种寿命非常长的生命,但它只能以自己的方式与环境发生轻微的相互作用(相互作用的方式可能是与其他环境中的矿物或化学物质发生核聚变)。把整个宇宙和整个太阳系想象成一种遵循化学规律不断有序运行的生命。我们会发现,这个定义中也存在着进化——组成世界上所有无机物甚至有机物的各种原子,其实都是简单的,也是复杂的,似乎可以通过各种融合来改变。你可能会说原子的变化是没有意义的,它们的变化只是随机的结果。如果把进化理解为生命与环境的交互形式,假设这些原子就是生命,那么它们的变化不就是与其周围环境交互作用的结果吗?(进入博物馆不叫以我们人类或者我们现在定义的生物的形式互动。)但我们现在生活的浩瀚人类,还不足以探索他们羽毛的宇宙,又或许是更大的宏观生命体的一部分,或者是世界的一部分,同样遵守我们所说的进化?

?所以,如果我们换个角度来看,宇宙诞生以来出现的结构最简单的原子,大道浩瀚的恒星和宇宙,或者是我们人类定义的生活在这个世界上,能够独立地与环境相互作用的生命体,其实都紧密地联系在一个神秘的链条中,这个链条既是生命,也是进化。