生命史的14次關鍵轉變

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在生命誕生前,宇宙用了數百億年的時間搭建了「舞臺」,等待生命登場。138億年前,宇宙從一個奇點誕生,很快,物質佔據上風,粒子經歷各種方式的組合,形成元素,構建出星系、恆星、行星……大約46億年前,宇宙發生了一件看似再普通不過的事件:一個普通的星系中一個普通的氣體雲開始坍縮,太陽系逐漸形成。在太陽系一個恰到好處的位置上,一顆看似毫不起眼的行星誕生了。

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關於生命起源有許多說法,其中最主流的一種是化學起源說。這一假說認為,原始地球大氣中包含了許多形成生命的最基本化學物質,聚集在原始地殼低窪處的原始海洋為生命提供了基本的條件,在宇宙射線以及太陽紫外線或閃電的影響下,開始了從無機物向有機生命的進化。有研究認為,大約39億年前,地球上出現了所有生命最後的共同祖先,那是一種能自我複製的有機體,被稱為露卡(LUCA,Last Universal Common Ancestor)。

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大約35億年前,在原始海洋裡,奇蹟般地出現了藍細菌。在澳大利亞西部古老的地層中,科學家找到了疊層石,它們是藍藻和其他藻類的「準化石」,也是目前地球上發現的最古老的生命痕跡。在此後的近30億年裡,原核生物主宰了地球。這些生物絕大多數是單細胞的,它們透過一個細胞完成了生命的各項工作。

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藍藻的光合作用讓地球環境發生了巨大的轉變,氧氣含量的劇烈飆升促成了原核生物向真核生物的轉變,以及厭氧真核細胞進一步向嗜氧真核細胞改變。在大約6.5億年前,最早的多細胞生物出現了。在多細胞動物的時代,低等的無脊椎動物佔領了整個地球,這一時代也因此被稱為「原始動物時代」。

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大約5.41億年前,地球步入寒武紀,氧氣水平的增加,以及多細胞生物的「準備就緒」,都為生命大爆發做好了準備。在寒武紀生命大爆發之前,生命的形式極為簡單,但很快一切都變了。20世紀80年代,我國古生物學家侯先光在雲南澄江縣發現了澄江生物群,這裡是「生命大爆發」的主幕和巔峰。

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無頜魚類是早期的脊椎動物,也是最早的魚類。它們沒有上下頜,用口吸入含有微小動物和沉積物的水攝食,多數生活在水裡,尾巴向上在海底游泳。因為身體像魚形動物,被稱為無頜魚類。它們從最早長出「嘴」的後口動物皺囊蟲進化而來,直到昆明魚的誕生,使得脊椎動物登上了歷史的舞臺。

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盾皮魚類是最早的有頜魚類,而初始全頜魚屬於最原始的盾皮魚類,它們的出現表明,脊椎動物有了真正的「嘴」,自此之後,脊椎動物可以主動獵食,盾皮魚類開始稱霸海洋,成為水中的優勢物種。大約4億年前,地質歷史進入泥盆紀,氣候變得更加乾燥,水域面積縮小。環境的變化帶來了又一次自然選擇,肉鰭魚向陸地邁出了第一步。

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從水中爬上陸地的肉鰭魚逐漸進化成兩棲動物魚石螈是最早的具有代表性種類之一。兩棲動物可以在陸地和水中兩棲生活,但尚不能完全脫離水的環境。現如今,兩棲綱動物已經發展成為脊椎動物中的一個大類。

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林蜥是最早的真爬行動物之一,它體形較小,生活在森林深處。真爬行動物的卵包著一層堅硬的卵殼,卵內還有一層「羊膜」包裹著胚胎,可以避免胚胎脫水或受到損傷,這種進化上的創新使得真爬行動物可以在陸地上靠產蛋繁衍後代。在這一時代中,天空中也已經出現了原始的能夠飛行的爬行動物,水中也有了早期的水生爬行動物。

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恐龍大概是古生物界最明亮的明星了。恐龍家族極為龐大,並且豐富多樣。據不完全統計,恐龍有超過一千個種。在恐龍時代,除了極度繁盛的陸地恐龍之外,水生爬行動物以及翱翔天空的翼龍類同樣十分興盛。陸地恐龍與陸生爬行動物的最大區別在於站立姿態和行進方式,恐龍已經具有完全直立的姿態,更有利於走路和奔跑。

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始祖鳥是最著名的原始鳥類之一,它是恐龍與鳥類之間的關鍵過渡物種。儘管這些最早的鳥類都還很原始,但已經開始具備現代鳥類的特徵,從恐龍中「脫穎而出」。在進化史上,曾出現過反鳥今鳥兩大類,兩者有著共同的祖先,最顯著的區別在於肩帶。但在6500萬年前的那次大滅絕中,反鳥卻消失了,而今鳥留存至今,發展出了豐富的分支。反鳥的消失至今仍是進化故事中的一大謎團。

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似哺乳類爬行動物在生命進化過程中具有重要意義,從進化特徵來看,早期的似哺乳類爬行動物的四肢位於身體兩側,爬行前進,而後期的則變為四肢垂直在身體下方,四足直立行走,身體長毛,已經具備了哺乳動物的許多特徵。哺乳動物就是沿著這一進化支進化而來的。

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在恐龍時代,哺乳動物大多非常小,它們大多晝伏夜出,進化出了靈敏的聽覺系統,在恐龍的統治支配下艱難度日。但與此同時,進化也在悄然發生。哺乳動物進化出了4缸型心臟,體溫也變成恆溫,新陳代謝被加快,也不再需要冬眠。在6500萬年的大滅絕事件中,小型陸生哺乳動物得以熬過最艱難的時日,從大滅絕中倖存。隨後,哺乳動物體形由小變大,迎來了繁榮的時代。

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生命本身就是一個奇蹟,而人類的誕生就是奇蹟皇冠上的寶石。人類作為世界上唯一擁有高等智慧的生命,是最初生命經過數十億年進化的結果。人屬的進化和其他物種一樣,並非一條直線,而是錯綜複雜,同時代存在的不同人屬物種之間也存在著基因的交流與融合。但最終,智人成為「勝利者」,並創造出了燦爛的文明。地球走進了人類時代。

生命的進化不會停止,也從未停止。未來進化的旅程又將走向何方,我們拭目以待。

文中插圖及部分文字內容整理自《生命進化史》(共3冊)(王章俊/著,重慶出版集團·華章同人,2020年5月),經出版方授權使用。

圖書簡介

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☆ 6次生命大滅絕,9次進化飛躍,呈現生命40億年演化全歷程

☆ 全國首席科學傳播專家十年精心打磨原創優質科普,四位中科院院士權威推薦,一套你和孩子可以一起看的書

一部講述地球生命進化的原創的科普作品,分為《從起源到登陸》《從陸地到天空》《從野性到文明》三部,從宇宙大爆炸,氫、氧、碳、氮等元素產生,生命起源假說開始,一直到智人走出非洲開啟人類文明。本書以地球上曾經發生過的6次生物大滅絕事件為節點,9次生命進化飛躍為主線,緊扣生命進化的重要細節,內容結合天文學、地學和生物學,全方位地解讀了人類對生命進化的研究和發現,全面梳理了地球生命40億年演化的大脈絡。

作者簡介

王章俊

全國生物進化學學科首席科學傳播專家,自然資源首席科學傳播專家,南京大學兼職教授,中國科普作家協會會員,中國地質學會古脊椎動物演化科學傳播團隊團長、首席專家,地質出版社、中國大地出版社原總編輯。2015年,作為總策劃、總編劇、總導演,拍攝完成了我國首部用故事講科學的 4D 特效電影《會飛的恐龍》,獲10項大獎。編撰出版的《化石與生命——生命的進化》榮獲科技部評選的2015年全國優秀科普作品,並被國土資源部推薦參評2018年國家科技進步獎。2017年編著出版了《生命進化簡史》,主編出版 《熱河生物群》《關嶺、羅平生物群》以及《生命簡史》(繪本)等。

內容整理:Takeko

動畫及插圖設計:雯雯子

封面來源:Pixabay

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