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达尔文的黑匣子

2018-8-9 11:27| 发布者: 鸿涛| 查看: 63| 评论: 0

摘要: 一架飞机丢失了黑匣子,我们就不知道它在飞行的过程中到底发生了些什么事情。地球上几十亿年的生物进化旅途中,存在着大量的缺失环节,使进化过程看上去支离破碎,这也成为达尔文进化论的难题之一。如今,科学家正在 ...

一架飞机丢失了黑匣子,我们就不知道它在飞行的过程中到底发生了些什么事情。地球上几十亿年的生物进化旅途中,存在着大量的缺失环节,使进化过程看上去支离破碎,这也成为达尔文进化论的难题之一。如今,科学家正在寻找记录了生物进化的“黑匣子”,希望了解整个生物进化历史中那些重大的转折。

达尔文的黑匣子

达尔文的难题

1859年,达尔文的经典著作《物种起源》出版,进化论的思想开始深入人心。不过当时许多进化论的反对者立刻提出了一个反对意见:既然一种生物能够进化成另一种生物,那么两种生物之间的过渡生物为什么没有化石保留下来?

详细点说,如果生物是进化的,从一个物种进化到另一个物种,中间会有许多过渡类型的生物,在地层里留下过渡化石。可是在达尔文的时代,几乎没有发现什么过渡化石。没有过渡化石,生物是否进化就成了未知数。这成为当时进化论的难题之一。

达尔文自己也清楚进化论的这个难题,他提出,由于含有各种化石的地层并不一定是连续的,有些地层可能缺失了,于是这些地层中含有的化石也就缺失了,这就是没有找到过渡化石的原因。

达尔文的这个解释其实有些牵强,反对者继续质疑:过渡化石应该也有许多种类,为什么偏偏过渡化石都缺失了,保留下来的都是非过渡化石呢?

就好比说从恐龙进化到鸟类,现在恐龙和鸟类的化石都有,就是没有从恐龙进化到鸟类过渡时期的化石。这好比一架飞机从北京经东京飞往洛杉矶,人们只承认飞机从北京飞到了洛杉矶,但由于没有提供记录飞机飞行情况的黑匣子,所以不承认飞机经停了东京机场。

为此,达尔文无法回答这个问题。

达尔文的黑匣子

始祖鸟暂时救了达尔文

就在达尔文难以招架过渡化石缺失问题的时候,一件重要的化石在德国横空出世,救了达尔文和他的进化论一命。这件化石就是始祖鸟化石。

1861年,在德国巴伐利亚州索伦霍芬的一个采石厂,人们发现了一件“带羽毛的爬行动物”化石。它大小如鸡,具有与现代鸟类相似的羽毛,但是嘴里长满了牙齿,这可不是现代鸟类具有的特征。这个怪物的“尾巴”很长,尾椎多达20个,指端具爪。

始祖鸟正是想找的爬行动物和鸟类的中间环节。先来看它像爬行动物的一面:嘴里长着牙齿,尾椎上的骨头有20个;骨壁很厚,里面没有充空气;前肢上掌骨没有愈合,有3枚彼此分离的指骨,指的前端生有爪子。再看它像鸟类的方面:具有鸟类特有的羽毛和叉骨,足上有四趾,其中拇指与另外三趾相对。这种身披羽毛却满口具牙的动物,正是达尔文梦寐以求的爬行动物向鸟类过渡的“黑匣子”,始祖鸟证明了鸟类是从爬行动物进化而来的。

始祖鸟刚好在《物种起源》发表后不久被发现,真是太及时了,进化论反对者的“炮火”暂时熄灭了。但是他们心里并不服气,因为生物进化是个漫长的过程,只找到一个“黑匣子”,只能算“孤证”,有些人甚至根本否定始祖鸟化石,拒不相信生物在进化。

从150年前达尔文进化论提出的时代到今天,大量的科学家投入到了寻找过渡化石的研究中,他们曾经长期找不到过渡化石,但是最近一些年,由于技术进步,许多“黑匣子”陆续被找到了。

达尔文的黑匣子

鱼类登陆的“黑匣子”

根据进化思想,生物经历了水生到陆生的演化过程。让我们先来看看鱼类与两栖动物之间的过渡化石是否找到了。

鱼类进化成两栖动物中的关键一步是,大约3.75亿年前,一些硬骨鱼的瓣状的鱼鳍进化成了四肢。人们曾经找不到这个时期的过渡化石,不过2006年,缺失的一环找到了。美国科学家在加拿大北极地区的埃尔斯米尔岛经过4个夏天的挖掘,终于挖到了一只有四肢的鱼类化石。这种鱼被命名为提塔利克鱼,翻译过来就是“会行走的鱼”。它的“鳍”拥有原始的腕骨及趾头,可以用来支撑身体。类似手腕的结构可以帮助提塔利克鱼在快速移动时稳定身体的底部。

提塔利克鱼应该能在岸边爬行,但它还不是真正的陆地动物。能够适应陆地生活的两栖动物还要几千万年后才出现在地球上,这之间从3.6亿年前到3.45亿年前,有一段巨大的过渡化石缺失。这主要是因为当时处于泥盆纪末期,全球生物界发生了一次大绝灭,许多原始的鱼类都遭到了灭顶之灾,包括提塔利克鱼的一种后裔——棘螈,笨重的装甲鱼类——盾皮鱼,以及10米长的可怕的邓氏鱼。在这段灾难之后,更加现代的辐鳍鱼类和鲨鱼类统治了海洋,有腿的两栖动物在陆地上漫步。科学家还没找到填补这段时期的过渡化石。

达尔文的黑匣子

恐龙、鸟类的“黑匣子”

二叠纪晚期发生了一次大绝灭,在这次地球历史上最大的生物界灾难中,高达96%的海洋物种和70%的陆地脊椎动物物种消失了。在之后的2000万年,初龙类动物崛起,它演化出了鳄鱼、恐龙以及翼龙等动物门类。

最早的初龙化石发现于三叠纪早期的地层里。此后不久,初龙类似乎就分化成了恐龙和鳄鱼类两支,这段进化过程已经有一些过渡化石被发现了。比如,人们发现了梳棘龙化石,名为“龙”,其实和鳄鱼的亲缘关系更近,生活在距今2.47亿年前,算是从初龙到鳄鱼之间的过渡化石。而2012年,科学家在重新研究伦敦自然史博物馆内的化石时,意外地发现了尼亚萨龙,生活在距今2.4亿年前,很可能是一种非常古老的恐龙,至少与恐龙亲缘关系非常近。

现在,鸟类起源于恐龙几乎已成定论,始祖鸟就是恐龙到鸟的过渡类型。但是直到过了差不多130年,古生物学家才发现了同样保存精美的带羽毛的恐龙和鸟类化石。这些化石发现于中国的辽西,在支持了达尔文进化论的同时,也带来了问题:小型恐龙如何进化出了羽毛和翅膀?

辽西的带羽毛恐龙的生活年代比始祖鸟早了2000万年,这之间存在着缺失的环节,科学家还需要找到这段时期的“黑匣子”,来揭开恐龙到鸟的演化秘密。

达尔文的黑匣子

哺乳动物的“黑匣子”

接下来登上生物界舞台的是哺乳动物了。与两栖类和初龙类似,现代哺乳动物也是从一次大绝灭事件之后开始蓬勃进化的。6600万年前一颗小行星撞击了地球,消灭了身形巨大的恐龙,哺乳动物趁机兴起。

但是恐龙绝灭后1000万年中哺乳动物如何兴起,仍然充满了疑问,需要找到这个时期的“黑匣子”。最近,科学家终于找到了生活在这个时期的已知最古老的灵长类动物——普尔加托里猴的脚踝骨,这种猴子6500万年前生活在森林里。

此外,科学家还找到了走鲸,能够用四条腿在陆地和水中行走的鲸,生活在距今5000万年前,证明了鲸是陆生哺乳动物逐渐过渡形成的。

我们人类属于灵长类动物,这个门类是如何出现的呢?2009年,一个4700万年前的化石——达尔文猴在德国出土,最初人们以为它可能是联系早期灵长类到人类的中间环节,就是灵长类起源的“黑匣子”。不过现在科学家已经明白,它只是一种绝灭的灵长类旁支,但是达尔文猴毫无疑问代表了最古老的灵长类群体,能够通过它研究早期灵长类的解剖结构。

达尔文的黑匣子

人类进化的“黑匣子”

进化论的反对者中有一些“中间派”,他们承认生物的进化,但是认为人类这种智慧生物太特殊了,不可能由其他动物进化而来。人类到底是不是进化产生的?找到“黑匣子”,就真相大白了。

基因研究告诉我们,与人类亲缘关系最近的灵长类是黑猩猩,两者曾经有共同的祖先。过去人们认为,人类和黑猩猩分化为两个物种的时间在距今400万年到600万年前。不过最近,科学家通过研究两个物种基因突变率判断,人类和黑猩猩的共同祖先生活在距今700万到1300万年前,然后分化成了两个不同的物种。

可惜的是,这段时期的过渡化石还没有发现,无法立刻让那些“中间派”转变观念。不过对于最近几万年的人类进化,科学家正在发现越来越多的“黑匣子”。

比如在西伯利亚的丹尼索瓦地区,科学家发现了一种古人类的指骨、脚趾骨和牙齿,观察这些零碎的东西,我们只能知道这种古人类生活在距今4万年前。但是通过研究这些骨头上面的DNA残留物,科学家发现,这种古人类并不属于此前发现的任何一种古人类,他们与尼安德特人和现代智人一起生活在冰河时代的欧亚大陆上。

利用基因研究,不仅仅是找到了一个人类的表亲这么简单。通过基因对比发现,在如今东南亚的巴布亚新几内亚人中,他们的基因中有5%来自丹尼索瓦人的基因,西伯利亚古人类的基因怎么跑到了万里之外的人种身上?对远古的尼安德特人的分析也表明,我们中的许多人都有一点儿他们的原始基因。难道我们的祖先曾经和尼安德特人杂交过?

人类化石的不断发现,以及对这些“黑匣子”的研究,让我们对人类进化的各个环节有了越来越多的认识。虽然我们还缺少古人类进化最初的“黑匣子”,但人类进化基本上是板上钉钉的事实。

达尔文的对和错

时至今日,科学家已经发现了许多的进化缺环,这些“黑匣子”充分证明,达尔文关于生物是进化的、存在过渡类型生物的论断是正确的。虽然还有一些“黑匣子”没有找到,但我们必须承认,一种生物的确能够经历一些过渡类型,变成另一种生物。

科学家寻找过渡化石的过程,也纠正了达尔文的某些错误。比如,达尔文认为生物是渐变的,因此从一种生物进化到另一种生物,会有很漫长的过程,有大量的过渡类型生物。但实际上,过渡化石本身就是比较少的,而且从一种生物进化到另一种生物,从地质时间上看是比较短暂的。相对来说,非过渡类型的生物往往生存的时间很漫长。如果还用飞机飞行做比喻的话,就是飞机在经停点的时间(生物过渡时期)很短,而在起飞点和终点站停留的时间(生物稳定时期)很长。

这是为什么呢?

其实,前面寻找“黑匣子”的过程中,已经有答案了。许多过渡类型生物的出现,都是在一次生物大灭绝事件之后爆发出来的,这主要是因为巨大的灾难让许多生物消失了,在自然界留下了大量的生态空间和崭新的环境,于是给了那些突变的“古怪”生物更多的生存机会。在较短的时间内,一个物种经过若干过渡类型,就演变成了另一个物种。随着生态空间和各种环境逐渐被新的生物占据,生物界变得稳定了下来。在稳定的环境中,突变的生物在那些成功适应环境的生物的包围之中,很难获得生存机会。

总之,过渡类型的生物往往只存在于很短的地质时间里。

而那些含有化石的地层,往往都是沉积岩,这些地层的形成虽然也会与生物有关,但更多的时候,是与水体中的泥沙沉积物的下沉有关的,相对来说,地层的沉积速度是比较稳定的。那些生存在很短的地质时间中的过渡生物,它们的化石也只能保留在很少量的地层中,更多的地层中含有的是那些稳定的物种,而不是过渡生物。生物进化的“黑匣子”,本来就很稀少。

虽然“黑匣子”很少,但在科学家的全力搜索下,它们正在一个个被挖掘出,并把生物进化史上的各种生物连接在一起,生物界几十亿年中波澜壮阔的进化画卷,正逐渐变得清晰。

最古老的生命遗迹如何自证其身?

地球上的生命究竟是在何时,以何种形式起源的,至今依然是生物学上最大的谜。寻找生命起源的化石证据,是摆在古生物学家面前的一项艰巨任务。不过,因为地球上最早的生命可能早已消失得无影无踪,任何痕迹都不会留下,所以他们只好退而求其次,满足于寻找最古老的化石。留下这类化石的生命虽然不见得是“最早”的,但毕竟在时间上离最早的生命是最近的。

但生命在早期是以单细胞的形式存在的,这些细胞本身就非常微小,要在显微镜下才能观察到。所以倘若你指着显微镜底下的一个小斑点说“这是地球上早期单细胞留下的化石”,那么有人就会诘问“你怎么知道这是单细胞的化石,而不是与生命无关的地质活动的遗痕呢?”所以,你得要有充足的理由说明这是一块化石,而不是一块石头。

迄今为止,获得“最古老的生命化石”这一桂冠的,是在澳大利亚西部发现的一群附着在岩石上的、有着34亿年“高龄”的小斑点。那么,它是如何证明自己不是一块石头的呢?

首先,细胞是有规则的结构的,而这些小斑点在显微镜底下看起来也好像有规则的结构。它们大多是圆形或者卵圆形的,内部中空,周围绕着厚度均匀的壁,看起来像是细胞壁。而且,这些斑点的大小也在目前地球上已知微生物的范围内。它们中的某一些外围的壁看来已经破裂,里面的内含物溢了出来,这又跟现代细胞腐烂分解时的情景很相像。

其次,这些斑点在某种程度上还显示了生命活动的迹象。它们在岩石上处于由富含黄铁矿的砂岩组成的那一薄层。这暗示,它们有自己偏爱的“居住地”。此外,这些斑点的壁本身富含碳、氮和硫。这暗示着它们的新陈代谢是以硫为基础的。这个发现对于它们自证其身非常关键。因为根据地质学家的考察,34亿年前的地球上非常炎热,氧极度稀缺,相反,因为火山活动频繁,硫倒是十分富足,所以那个时候的生命,新陈代谢以硫而不是以氧为基础,是一个更为合理的假设。

综合上述种种理由,古生物学家认为,这些小斑点就是迄今找到的地球生命留下的最古老的遗迹。

生命早期四个没找到的 “黑匣子”

生命起源是地球上一件惊天动地的大事。人们通过对格陵兰岛38亿年前的岩石的碳同位素的比例分析,发现了生命活动的痕迹,因此大多数科学家接受生命至少在38亿年前就出现在地球上的结论,但显然还缺少化石证据。而在澳大利亚34亿年前的岩石中,科学家的确发现了生物留下的微观结构,这是确凿的生物化石,是迄今为止发现的最早的化石了。但从34亿年前回溯到生命诞生那一刻,这段时间是生物进化的第一个“黑匣子”,还没被找到。

在24亿年前的岩石中,科学家发现了含有铁的氧化物。由于早期地球大气不含氧气,这个发现表明当时出现了光合作用,光合作用产生了氧气,于是才有铁的氧化物出现。最近,科学家对现代蓝藻的基因进行研究后认为,能够进行光合作用的蓝藻的祖先都应该是淡水生活的品种。换句话说,最早的光合作用是开始于淡水环境的,也许发生在距今30亿到25亿年前。不过这段历史的蓝藻化石还没有找到,这是另一个没有找到的“黑匣子”。

然后,生物界应该出现了有细胞核的生物,科学家已经发现了18亿年前的有核细胞形成的化石。接下来,生命界迎来了从单细胞生物向多细胞生物的飞跃,这仍然是缺失的环节。科学家猜测,第一种多细胞动物可能出现在10亿年到6亿年前。可是这个阶段的化石非常罕见,而且就算是找到了化石,我们也很难区分,那团细胞到底算是多细胞生物,还是一堆单细胞生物挤在了一起。这是第三个没找到的“黑匣子”。

下一个没找到的“黑匣子”出现在距今5亿多年前,科学家在世界各地发现了一些类似海绵的软体动物化石,也就是伊迪卡拉动物,它们大约5.85亿年前出现,在5.42亿年前消失,在海底生活。此后,地球生物界迎来了所谓的寒武纪大爆发,许多现代生物都可以在这次大爆发产生的生物中找到自己的祖先。但是,伊迪卡拉动物和后来的寒武纪大爆发的生物之间没有发现过渡化石。

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