【2016科学与无神论论坛演讲】生命大跃进

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大家好,我是来自烟台市博物馆的江泓。同时我也是一个科普工作者——主要是做古生物科普。感谢科学公园给我这个机会来参加论坛,跟大家讨论一些生命进化中的事件。
 
我们的地球,是宇宙中一颗非常不同的行星,因为地球上产生了生命。当然,我们的地球绝对不是宇宙中唯一有生命的行星,但确是独一无二的——因为生命的进化是不可逆的,任何一个星球上如果出现了生命,她的生命的进化模式都是不一样的。
 
地球是在距今46亿年之前产生的,在38亿年之前地球上出现了生命。最早的生命是细菌和菌类,还有咱们所说的植物中最低等的藻类,他们属于单细胞生物。到后来有了简单的多细胞生物。
 
从38亿年之后一直到距今5.4亿年之前,生命形式都是比较单一的,比较简单的。而在距今5.4亿年前,出现了一个重大的事件,这个事件叫——寒武纪大爆发。
 
可能很多人都听说过,这大爆发和大灭绝的理论。寒武纪大爆发代表的是现在的几乎是所有生命形态的出现。从寒武纪大爆发以后,剩下的大事件,就是脊椎动物的出现,鱼类的出现,鱼类的登录,还有爬行动物的出现,一直到恐龙的出现。这就是我们熟知的重大事件。
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这是一个螺旋形的生命进化图景。首先是地球诞生于距今46亿年前;然后,生命出现,是38亿年前;在上面的,寒武纪大爆发,是距今5.4亿年前;然后,鱼类登陆,是3.6亿年前;然后,恐龙出现,是2.25亿年前;到恐龙灭绝的时候,是距今6500万年前;之后,地球历史进入了新生代——新生代又被称为是哺乳动物的时代;在距今四百万年前,出现了南方古猿——南方古猿被认为是从猿到人进化的一个重要节点;然后是我们,我们被称为智人——晚期智人,从人类学的角度来说,我们是距今四万年前才出现的。
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如果我们把地球的历史比作24个小时的话,有几个重要的事件可以从这24小时中标识出来。首先是,在五点四十分,生命诞生。然后,寒武纪大爆发,是九点钟。也就是说,从这个钟表上来看,五点到九点之间,没有什么大事件发生。然后到了十点四十分,恐龙出现。而我们人类出现,是在二十三点五十九分——就是说,在最后一分钟,我们人类才出现。
 
我今天要讲的,不是爆发、灭绝这些大事件,而是一些简单的结构。但是这些结构足以改变我们生命进化的历程。
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首先,第一个是——光合作用(Photosynthesis)。
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这是“太古宙(Archean)”时期的地球。也就是寒武纪大爆发之前的地球。当时的地球和今天是完全不同的,天空是红色和紫色的,海水也是紫色的,地面上没有任何的生命。那个时候的大气成分,和今天也是完全不同的,没有一丁点的氧气。
38亿年前,生命诞生;25亿年前,光合作用出现了。
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最早的参与光合作用的生命,就是细菌和藻类。最早的光合作用并不是叶绿素来参与的,而是要锰原子簇——锰原子簇最早的作用,就是保护这些简单的细菌和藻类的外壳。因为那个时候我们的地球没有臭氧层,所以,来自宇宙中的包括紫外线在内的所有的射线,是直接到达地面和海洋的。生命为了保护自己,就会从周边的环境中吸收锰元素,然后在自己的身子外层形成一个保护膜。
 
这个锰原子簇还有一个功能,就是进行光合作用——但是跟叶绿素相比,那是差之千里。后来,就是在锰原子簇的带动之下,叶绿素开始出现,开始进行了光合作用。
 
然后,出现了地球上非常著名的一个事件,大氧化事件——也就是地球的大气中出现了氧气。
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那么氧气到底有什么好处呢?
第一是提高能量的使用效率;
第二是支持了有氧呼吸——有氧呼吸比无氧呼吸的效率更高,能量转化得也更快;
第三就是形成臭氧。我们知道臭氧层在地球外面形成了一个保护膜,被称为“地球生命的保护伞”。它可以抵挡来自宇宙中的射线,包括削弱紫外线。
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第二个是——眼睛(eyes)
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这是美国非常著名的女作家,海伦·凯勒。她著名的一篇作品,叫做《假如给我三天光明》。因为海伦·凯勒从小因为疾病而失去了视觉和听觉。她在作品中有这么一段话:“假如我有三天时间视力正常,最盼望看见什么? 我会把这三天分为三部分……”
 
我们知道,我们最直观感受世界的方式,就是视力,所以眼睛也被称为是“心灵的窗口”。那么,最早的眼睛,是什么时候出现的呢?
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这是一只三叶虫——它是有化石记录的最早的有眼睛的生命。它出现的时代,是距今5.4亿年前的寒武纪——实际上三叶虫就是寒武纪大爆发时期出现的一个物种。
 
虽然在化石证据里,三叶虫是最早有眼睛的,但它不见得是最早长眼睛的生命。
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这是电影《少年派的奇幻漂流》的剧照。在夜晚,少年派发现大海中出现了绿莹莹的光,这个并不是电影的杜撰,而是实际存在的。
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这张照片是塞班岛。塞班岛的夜晚,在海滩上会出现这种荧光的蓝色物质——这是荧光的藻类发出的亮光。那么,藻类和眼睛有什么关系呢?
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藻类和眼睛的确是有关系的。这个是发光藻类的简单结构图。大家可以看到,绿色的部分,这是光敏色素——光敏色素的作用是对光产生感知。藻类发出光,它的目的并不是为了好看,而是为了让其它的同类感受到这个光——这,实际上就是最早的视力。
 
所以说,所有动物的眼睛,都起源于一种会发光的藻类。但是这个起源的时间,我们还不能确定,因为没有化石证据。虽然只是推测,但的确是成立的。
 
我们来看今天的眼睛都有什么样的。
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这是蜘蛛的眼睛、蜥蜴的眼睛、猫头鹰的眼睛、我们人类的眼睛。
所有这些眼睛的视觉,都来自于我们刚刚提到的感光藻类。
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第三,要介绍的是——脊椎(vertebration)
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我们从小学生物课就知道,脊椎动物分为五大类——鱼类、两栖类、爬行类、鸟类和哺乳。那么,最早的脊椎动物,是什么时候产生的呢?
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这就要通过化石证据——这就是最早的脊椎动物的化石,它的名字叫海口鱼,生活在距今5.3亿年前,在中国云南发现的。同样是寒武纪时期。
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这是海口鱼的复原图,它有点像今天的文昌鱼。这是很小很小的鱼,长度只有4到5厘米。
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这是海口鱼所生存时代的复原图。这个叫澄江生物群,是证明寒武纪大爆发的一个证据。这其中有很多的原始生命:首先是奇虾,这是寒武纪时期最顶级的掠食者,体长达到两米,它是外骨骼,类似于今天的蝎子、蜘蛛这类东西,它的骨骼是在身体之外的;然后是三叶虫,刚才介绍了,它是最早有眼睛的动物;再有是海口鱼,银色的小鱼,非常非常小。
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在海口鱼出现之前,那么长的生命历史中,没有脊椎出现。那么相对于无脊椎动物,脊椎到底有什么优势?
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首先就是身体更灵活。我们知道脊椎是由脊椎骨一节一节连起来的,所以它有非常高的灵活度和弯曲度。
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第二是更快的速度。动物的骨骼是非常强韧的,它连接着肌肉和筋腱。以猎豹作为代表,猎豹是陆地上最快的动物;空中最快的,也就是飞行最快的动物,应该是雨燕;海洋中游泳最快的动物,是旗鱼。
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第三是体格会更强壮。非洲象是今天陆地上最强壮的动物,它同样是脊椎动物。
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还有就是身体更庞大。蓝鲸是今天地球上最大的动物,也是现在有足够化石证据的地球上出现的最庞大的动物。最大的蓝鲸,体长能达到33米。图片中是个亚成年个体,应该也就是二十多米。
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第四个,是下颌(lower jaw)的产生。
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最早的动物是没有下颌的。这个是无颌类,它没有嘴,它是和海口鱼同时代的鱼。
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还有这种鱼,叫枪盾鱼,它也是一种无颌类。无颌类的嘴巴没法像我们的嘴这么灵活,它的嘴闭不上,也张不了更大,吃东西的时候只能靠吸进去。如果它的食物比它的嘴更大,它是无法进食的。
那最早的有颌类是什么呢?
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这是我们中科院古脊所最新发现的一种鱼类——长吻麒麟鱼。在距今4.23亿年前,它生活在泥盆纪,也是我们中国的。它是代表了从无颌类到有颌类进化的一个标志。
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这就是一个从无颌到有颌的进化过程。最早的是原颌鱼;然后到了硬骨鱼类,下颌就形成了;最后是我们人类。
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这是下颌出现之后的第一批顶级掠食者——邓氏鱼。这种鱼的体长达到了6米,但是它的下颌和我们的下颌还不太一样。虽然我们从图中可以看到它有牙齿,但是它的牙齿不是从它的下颌生长出来的——它的牙齿实际上是下颌骨的一部分,是骨质牙齿。
那么,有了下颌有什么好处呢?
第一就是进食。我们平时吃饭的时候,要吃比自己嘴巴大的东西,只要张大嘴就可以了。
第二就是反抗。如果有东西要吃你,你要反抗它,你可以用嘴咬它。有句谚语叫“兔子急了还咬人呢”。
第三点是竞争。谁的嘴巴进化得更好,它吃的东西就更多,在进化过程中就有优势,就可以生存下来。
第四点是交流。因为产生了下颌,才产生了声音,才产生了语言。
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第五个重要的结构,是四肢(four limbs)。四肢的产生,是和鱼类登陆相伴随的。
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这个是提塔利克鱼。这是鱼类向陆地进军的一个证据。它生存在距今3.7亿年前,泥盆纪,发现于加拿大。
和它同时代的,由水中到陆地上的鱼类以及鱼类到两栖类的过渡物种,还有鱼石螈和棘螈。它们都是代表了脊椎动物登上陆地。
那么,这些登上陆地的动物,它们祖先是什么样子,是哪种鱼呢?
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就是这种,叫做肉鳍鱼类。为什么叫肉鳍鱼类呢?因为它们跟我们平时见到的鱼不一样。它的鱼鳍中有骨骼,还有肉包裹着,很有力量。
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今天,肉鳍鱼类只有一种生存到了现在,就是拉蒂迈鱼。这种鱼生活在印度洋。
那么我们来看看,肉鳍鱼类是怎样出现四肢的。
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这是肉鳍鱼类的一种,叫做真掌鳍鱼。它的胸鳍和腹鳍是长有骨骼的。
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通过登陆,让鳍更有力量。然后它的骨骼就出现了我们今天的上臂。肱骨、尺骨、掌骨慢慢就出现了。
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这是我们的四肢,实际上也来自于鱼的胸鳍和腹鳍。
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第六个,是羊膜卵(amniote egg),也就是我们所说的蛋。
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羊膜包裹着羊水,让胚胎有一个稳定的环境。羊膜最重要的作用,是让我们的生命解除了对水的依赖。
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最早的羊膜动物是林蜥,距今3.1亿年前,生活在石炭纪,发现于加拿大。它是最早的爬行动物,也是最早的羊膜动物。
羊膜的出现,是脊椎动物离开水的一个重要标志。我们知道,鱼类和两栖类的繁殖,是离不开水的。
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今天的爬行动物、鸟类以及哺乳动物,实际上都属于羊膜动物。
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最后一个,重要的结构特征,就是亲子(nurture)。这实际上是一种习性的产生。
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这是我们人类。我们对于小宝宝、新生儿,有发自内心的母爱和父爱。而除了我们人类以外,除了哺乳动物以外,还有其他的动物也懂得亲子。
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这是鸟类。
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这是恐龙。大家以前的印象中,恐龙就是冷冰冰的巨型爬行动物,实际上绝大部分恐龙都是有亲子行为的。这个是慈母龙,在产蛋的时候它会保护自己的蛋,在小恐龙出生之后他会养育小恐龙,直到小恐龙长大——这都是有化石证据的。
那么,最早的懂得亲子的动物是谁呢?
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从化石证据中看,是这种动物——犬齿兽。它生存于距今2.45亿年前的三叠纪,发现于南非。这种动物又被称为是哺乳动物的祖先。图中化石很明显地显示,左侧是一个大的成年的犬齿兽的骨骼,它的脑袋对面正对着一个小犬齿兽,这就是一个非常确凿的亲子行为的化石。
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这是经过复原之后的犬齿兽。它在喂养自己的小宝宝。
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母爱是最伟大的情感,是地球生命进化史上杰作。
今天的时间比较短,所以我就简单地给大家讲一下,谢谢
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