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聽,化石中跳動(dòng)的生命脈搏 | 悅讀科學(xué)

2018/06/29
導(dǎo)讀
化石能夠揭示生命演化的規(guī)律嗎?

「化石記錄揭示了演化歷史中的許多事件,現(xiàn)代生物學(xué)展示了生物與其環(huán)境相適應(yīng)的過程。然而,將這兩種視角得出的觀點(diǎn)整合在一起卻并不簡單。

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我一直對舊事物很著迷。大學(xué)時(shí)代,比起現(xiàn)代史,我更喜歡古代史;比起法語,我更喜歡拉丁語。剛上大學(xué)時(shí)我本打算學(xué)希臘語和拉丁語,卻誤打誤撞學(xué)了人類學(xué):還有什么比人類文化多樣性這個(gè)學(xué)科更偏重現(xiàn)代世界呢?


即便是學(xué)人類學(xué),我的本性也很快就暴露了:對我來說,人類學(xué)更多意味著肯尼亞考古學(xué)家、神經(jīng)學(xué)家路易斯·利基(Louis S.B. Leakey)的化石采集,而不是美國人類學(xué)家瑪格麗特·米德(Margaret Mead)的人種學(xué)研究。


1963年,我獲準(zhǔn)以人類學(xué)家的身份在一個(gè)巴西漁村做學(xué)徒,我不僅著迷于漁業(yè)經(jīng)濟(jì)本身的社會(huì)組織細(xì)節(jié),也不出意外地沉醉于在礁灘上挖掘冰河時(shí)代的貝殼化石。那個(gè)礁灘是漁村捕魚船隊(duì)的一個(gè)安全港口。


1964年秋天,我回到學(xué)校,選修了一門地質(zhì)學(xué)課,從此開啟了我終生的事業(yè)——嘗試在生命史的化石記錄里尋找規(guī)律?;沁h(yuǎn)古生命的殘遺,一直以來我對化石的興趣也主要在于它們的生物學(xué)屬性。但化石首先是地球的一部分,因此它們本質(zhì)上是地質(zhì)學(xué)對象。因此古生物學(xué)這個(gè)專門研究化石的學(xué)科,既是一門生物學(xué)學(xué)科,也是一門地質(zhì)學(xué)學(xué)科(圖1)。

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可靠的時(shí)代記錄

雖然有很多重要的例外,但脊椎動(dòng)物——哺乳類、鳥類、兩棲類、爬行類以及各種各樣的魚類——的化石一般并不常見。最先研究脊椎動(dòng)物化石的是動(dòng)物學(xué)家,而不是地質(zhì)學(xué)家。他們將這一研究作為比較解剖學(xué)的一種延伸。


無脊椎動(dòng)物化石和脊椎動(dòng)物化石截然相反,它們俯拾皆是,常常是沉積巖極其豐富的組成部分。在過去幾十億年間,現(xiàn)在大陸所在的位置往往是淺水海道,在這些海道的海床上生活著豐富的無脊椎動(dòng)物。它們易被沉積物掩埋,石化后保存下來,等待著千萬年后“未來”的古生物學(xué)家來發(fā)現(xiàn)。


除脊椎動(dòng)物外,你能想到的所有動(dòng)物都是無脊椎動(dòng)物,它們門類眾多,包括軟體動(dòng)物(螺類、蛤、魷魚及其近親)、節(jié)肢動(dòng)物(螃蟹、蝦、昆蟲及其近親)、棘皮動(dòng)物(海膽、海星及其同類)和腔腸動(dòng)物(珊瑚和水母)等。上述四個(gè)門類的化石是化石記錄中非常重要,甚至可以說經(jīng)久不衰的組成部分(圖2)。

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地質(zhì)學(xué)家很快就發(fā)現(xiàn),特定的化石總是會(huì)出現(xiàn)在某些化石的上面,和另外一些化石的下面,依此可以相當(dāng)精確地將地質(zhì)時(shí)間分成幾個(gè)時(shí)期。巖石中包含的化石組成也可以用來劃分地球上的巖石。淤泥、粉沙、沙石以及灰?guī)r的結(jié)晶粒等沉積物在海床和湖底沉積,最底層的就是最古老的。動(dòng)植物的殘骸夾在一層層沉積物中,準(zhǔn)確可靠地記錄著它們生活的那個(gè)時(shí)代。

地質(zhì)學(xué)家用化石確定時(shí)代的方法很有意思,但我更側(cè)重于弄清楚化石形態(tài)的序列是如何揭示生命演化進(jìn)程的,以及生命演化歷史所揭示的演化過程的本質(zhì)。


鑒今知古

復(fù)雜生命形式出現(xiàn)后的三個(gè)主要地質(zhì)時(shí)代中,我還是一如既往地選擇了最古老的古生代,選擇研究三葉蟲。三葉蟲是已知所有節(jié)肢動(dòng)物中最早的類群,也是節(jié)肢動(dòng)物中最原始的類群之一,現(xiàn)在已經(jīng)完全滅絕。


我發(fā)現(xiàn)必須控制自己對于純粹古老事物的熱情,也要改變那種“越老越好”的態(tài)度,才能更好地理解我研究的化石的意義。我必須認(rèn)真對待現(xiàn)代生命,承認(rèn)現(xiàn)代生物學(xué)能夠揭示生命本質(zhì)?;皇窃?jīng)活著的生物的殘?。核鼈兊男呐K已不再跳動(dòng),它們也不再進(jìn)食和繁殖。但我們知道它們活著的時(shí)候有心跳,也四處活動(dòng)、尋覓食物并繁衍生息。想要了解變成化石的生物活著時(shí)如何運(yùn)動(dòng)、進(jìn)食和繁殖,我們就必須參考那些現(xiàn)在活著的生物(圖3)。

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從朋友兼同事史蒂芬·古爾德(Stephen Jay Gould)那里,我第一次感覺到現(xiàn)生(指現(xiàn)在仍存活著)生命世界對闡釋滅絕生物的重要性。我們在一個(gè)地方讀研究生,他比我高兩個(gè)年級。與我正好相反,史蒂芬選擇研究更新世。更新世,也稱“冰河世紀(jì)”,始于250多萬年前,止于1萬年前。事實(shí)上,一些地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為我們?nèi)蕴幱诟率馈?/p>


史蒂芬研究百慕大群島上某種陸生螺類的演化,還給它起了個(gè)貼切的綽號——“微觀世界”(史蒂芬有起綽號的嗜好)。這種陸生螺類不能游過大海,被“困在”百慕大并在當(dāng)?shù)匮莼獩]有大規(guī)模的遷入遷出的干擾。其中最好的一點(diǎn)是,這些冰河時(shí)代的化石的大多數(shù)后代今天仍生活在百慕大群島。于是,史蒂芬有了一個(gè)生機(jī)勃勃、不停運(yùn)轉(zhuǎn)著的生命系統(tǒng),這個(gè)系統(tǒng)從起源至今的歷史大量保存在“原”百慕大群島石化的沙丘和古土壤中。冰河時(shí)代的氣候發(fā)生了波動(dòng),同時(shí)環(huán)境也發(fā)生了變化,運(yùn)用現(xiàn)生螺類的生態(tài)需求知識,史蒂芬認(rèn)識到,各種化石螺類屬種的早期演化史是對這一環(huán)境變化的響應(yīng)。


兩種視角的碰撞

我開始體會(huì)到,通曉現(xiàn)代生命世界組成背后的動(dòng)態(tài)原理直接決定了我們對過去的理解。但我的意思并不是要放棄古生物學(xué)的傳統(tǒng)觀點(diǎn)。這種傳統(tǒng)觀點(diǎn)告訴我們,要理解現(xiàn)代世界,我們必須回顧歷史,了解事物是如何變成現(xiàn)在這副模樣的。而這就是我研究生命史和探索生命演化過程的核心方法。化石記錄揭示了演化歷史中的許多事件,而現(xiàn)代生物學(xué)展示了生物與其環(huán)境相適應(yīng)的過程。我的目標(biāo)就是在這兩種視角間搭建一座比我剛研究古生物學(xué)時(shí)更好的橋梁(圖4)。

將化石記錄和現(xiàn)代生命世界得出的觀點(diǎn)整合在一起,并不像一開始想的那樣簡單。自19世紀(jì),古生物學(xué)就和現(xiàn)代生物學(xué)完全分開了,古生物學(xué)演化理論常常和遺傳學(xué)家支持的觀點(diǎn)相矛盾。遺傳學(xué)是研究遺傳機(jī)制的學(xué)科,誕生于1900年前后,之后取得了長足的發(fā)展。在新學(xué)科快速發(fā)展所形成的良好氣氛中,一些遺傳學(xué)家認(rèn)為,他們可以用更直接的遺傳變化機(jī)制來代替達(dá)爾文最初的觀點(diǎn)——通過自然選擇的演化。到了20世紀(jì)30年代,遺傳學(xué)家將他們對基因的新認(rèn)識融合到達(dá)爾文最初對生物演化過程的解釋中,形成了一套整合理論,叫作“新達(dá)爾文主義”(圖5)。

20世紀(jì)30年代晚期至40年代早期,新達(dá)爾文主義還沒能將生命史的大框架進(jìn)一步整合納入其體系。到了40年代,古生物學(xué)家喬治·蓋洛德·辛普森(George Gaylord Simpson)開始將化石記錄數(shù)據(jù)與現(xiàn)代演化理論放在一起研究。他的工作極為大膽且富有想象力,但同時(shí)他自己也承認(rèn)這一工作“很可能具有風(fēng)險(xiǎn)”。


為什么這么說呢?下面引用1944年辛普森在談?wù)撜线z傳學(xué)和古生物學(xué)的難度時(shí)所說的一番饒有風(fēng)趣的話:“不久之前,古生物學(xué)家覺得,遺傳學(xué)家就是把自己關(guān)在房間里,拉下百葉窗,觀察牛奶瓶中怡然自樂的小果蠅,還自以為是在研究自然。他們說,如此遠(yuǎn)離真正的生命活動(dòng)的研究,對于真正的生物學(xué)家來說是沒有意義的。另一方面,遺傳學(xué)家則認(rèn)為,古生物學(xué)除了完善演化真實(shí)性的證據(jù)外,就再也無法對生物學(xué)做出貢獻(xiàn);古生物學(xué)是一門純描述性的學(xué)科,根本稱不上‘科學(xué)’。他們覺得古生物學(xué)家做研究,就像是站在街角看著汽車呼嘯而過,還妄圖據(jù)此來研究內(nèi)燃機(jī)的原理。”


辛普森描述了兩種不同的視角——對世界的兩種不同看法——之間的碰撞。他承認(rèn)(就像我們都必須承認(rèn))我們對演化的認(rèn)識必須與遺傳學(xué)原理一致。他也承認(rèn)演化過程的大多數(shù)關(guān)鍵要素屬于遺傳學(xué)的范疇。另外,他堅(jiān)持認(rèn)為我們對演化的認(rèn)識,也必須與化石記錄所揭示的生命史相一致。正如我們將要看到的,辛普森抓住了生命史對他而言十分重要的一個(gè)因素(對我而言也是如此),他認(rèn)為這一因素與當(dāng)時(shí)演化生物學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)演化圖譜并不相符。


演化藍(lán)圖

生命史的“標(biāo)準(zhǔn)演化圖譜”是什么樣的呢?從某種程度上來說,本文精美照片中所展示的各種動(dòng)植物,就是我們要找的確鑿證據(jù)。最起碼我們想要解釋,這些生物和其他數(shù)不清的物種是如何起源的,又是為何存在?它們?yōu)槭裁撮L成那般模樣,又為什么消失滅絕了?這些照片就是生命史原始記錄的例子——我們將這些照片直接看作“標(biāo)準(zhǔn)演化圖譜”是沒有問題的。


文字也可以描繪圖像。為了理解生命史的化石記錄,為了能將化石記錄與遺傳學(xué)原理和現(xiàn)代演化理論更好地整合到一起,我們的視野不能局限于一塊塊化石,而要尋找普遍存在的模式。我們應(yīng)該看到,如果達(dá)爾文對演化過程每個(gè)細(xì)節(jié)的觀點(diǎn)都是正確的,那么現(xiàn)代演化生物學(xué)就會(huì)留用達(dá)爾文對化石記錄的最初描述。從古生物學(xué)的角度,探索更好的演化理論,就是使達(dá)爾文的觀點(diǎn)(被現(xiàn)代生物學(xué),尤其是遺傳學(xué)修正后的達(dá)爾文理論)與生命史的實(shí)際模式相符合的過程。


科學(xué)是無止境的探索,是不斷地使我們的認(rèn)知貼近于我們發(fā)現(xiàn)的自然規(guī)律。本質(zhì)上,我們對自然的認(rèn)知,一部分來自觀察,一部分來自對現(xiàn)象的解釋。科學(xué)之路漫漫:一代代科學(xué)家不停地修訂和補(bǔ)充著我們對自然的認(rèn)知,在更多研究成果的基礎(chǔ)上嘗試得出更為清晰的圖像。其間不可避免地會(huì)有沖突:每一代科學(xué)家都會(huì)質(zhì)疑前人的研究;不同學(xué)科的科學(xué)家對要不要修改現(xiàn)行理論這個(gè)問題也有爭議;如果需要修改,又具體是什么致使我們修改我們的認(rèn)識。我認(rèn)為沒有什么比深入地探索生命史、修改演化藍(lán)圖更令人振奮的了。文字描述補(bǔ)充了照片圖像的不足,同時(shí)也展現(xiàn)了我作為一位古生物學(xué)家,截至目前對更清晰的演化圖譜的不懈追求。


(本文經(jīng)授權(quán)節(jié)選自未讀·探索家·北京聯(lián)合出版公司出版的《滅絕與演化》(2018年4月,(美)尼爾斯·艾崔奇/著,董麗萍,周亞純/譯)第1章《作為序幕的過去》,略有刪改,標(biāo)題和小標(biāo)題為編者所加)



文章頭圖及封圖片來源:pixabay.com


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