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3亿年前,鱼儿为什么要上岸

2018-12-07 09:36来源:科技日报

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  如今人人都想要一条能带来好运的“锦鲤”,但其实3亿多年前,那条从水中慢慢爬向陆地的小鱼才是整个动物世界包括全人类的“锦鲤”。这些上岸的鱼类开枝散叶,演化成两栖类、爬行类、鸟类,以及哺乳类,包括人。

  那么,是什么让鱼离开熟悉的水域登上陌生的陆地?这些来自水中的鱼儿们又是如何适应陆地环境的呢?生命演化的过程间,存在着许许多多的未解之谜。

  为何辗转至陆地 科学家进行了各种猜测

  鱼类为何如此大费周折辗转至陆地呢?对此科学家们进行了各种研究猜测。

  一篇发表在《美国博物学家》杂志上的文章显示,科学家对生活在拉罗汤加岛上的鲇鱼进行了研究,这种鱼善于在陆地上生活,处于鱼类进化到陆地动物过程之间。它们大多数时间在水里,涨潮前会花很多时间四处觅食,但涨潮时,它们就开始向海岸边的岩石上游动。虽然只有鳃,但在岸边它们仍能从飞溅的海水,以及潮湿的岩缝中获取所需的氧气。

  不过,为什么它们会在涨潮的时候上岸呢?研究人员发现,涨潮的时候,一些捕食者正在追捕猎食它们,如比目鱼、石斑鱼、濑鱼和海鳗。但是这些鱼没有一个可以跟着鲇鱼爬上岸的。该研究的主要负责人说:“拉罗汤加岛的鲇鱼首次证明了环境压力是驱使鱼从水里迁移到岸上的一个原因。”

  当然,对于刚爬上岸的鱼类来说,也有很多食肉动物生活在陆上。但4亿年前,大海里有很多可怕的食肉动物,陆地上却没有多少威胁,或许这使得鱼类慢慢地迁移进化到陆地上。

  此外,2017年西北大学学者提出,看到远方也许是鱼类离开海洋的助力之一。虽然鱼类早已拥有视觉,但水下环境无法让它们把视力物尽其用。

  根据化石资料,在鱼类登陆的过程中,眼部结构的改变让它们越来越多地享用到视觉带来的好处。在大约3.9亿至2.5亿年前,一种先进的鱼类——希望螈目逐渐脱离水生。化石测量显示,它们的双眼尺寸增长到原来的3倍,这意味着与视觉能力息息相关的瞳孔大小出现增长。与此同时,和其它一些鱼类一样,它们的眼窝由两侧移到头部顶端。在这个位置,鱼可以通过贴近水面,看到水面之上的虫类猎物,甚至可以把眼睛探出水面。

  如果一只动物只能看到附近的事物,这意味着它们大部分行为只是对即将发生的刺激做出反应,而看到更远的地方,让复杂决定的出现成为可能。如何能更有效地攻击猎物、躲避捕食者的突袭,爬上陆地或许是水下生命作出的一个重要决定。

  然而,中国科学院古脊椎动物与古人类研究所副研究员卢静告诉科技日报记者:“演化的原因非常复杂,受各种因素的影响与制约。比如身体结构的变化、环境的变化等。”如果生活环境一直不变,鱼类或许最后也不会爬上陆地。

  凭啥能够离开水 4次演化事件打下基础

  “鱼类最终顺利登陆跟4次大的演化事件有关。”卢静说,鱼类爬上陆地的过程发生在志留纪到泥盆纪之间,也就是4.2亿年前至3.6亿年前。

  首先是有颌鱼类的出现。“无颌类鱼主要靠寄生或以滤食为生,有颌类就是鱼类出现颌骨,这意味着它们可以主动捕食了。”卢静表示,从演化顺序来看,这是一个简单到复杂的过程。“从原先无法捕食到现在能够捕食,有颌鱼类在整个演化链上就更有选择权,可以适应更多生活方式。这为以后生存带来更大好处。”

  随着时间的流逝,有颌鱼类中的重要一支演化成了硬骨鱼类。“我们平时见的鲨鱼、鳐鱼属于软骨鱼类,整个骨架都是软的。软骨鱼类柔软的骨头根本无法在陆地上支撑沉重的体重。”卢静解释道,与软骨鱼类不同,硬骨鱼类全身的骨骼变得更加坚固,为上岸生存提供了更多可能。

  硬骨鱼类有一支叫做肉鳍鱼类,这支鱼类的偶鳍(成对的肉鳍)中有内骨骼,卢静指出,肉鳍的内骨骼非常重要,没有它们,鱼类就不能支撑自己的身体,也就难以上陆。而且它们还是四足动物四肢的前身。比如人的胳膊,从上臂到前臂分为肱骨、桡、尺骨、腕骨、掌骨和指骨,“肉鳍鱼类的鱼鳍中具备这些骨骼的雏形才会为演化成真正的四足动物提供条件”。

  肉鳍鱼有很多不同类型,但最后只有一支成功爬上陆地,形成了现在的四足动物。这一支肉鳍鱼和其它的肉鳍鱼有什么不同呢?卢静告诉记者,内鼻孔结构的出现是四足动物形成的先决条件。“因为上岸就要呼吸,而鱼是用鳃呼吸的,它们原来的鼻孔是两个外鼻孔,不是呼吸器官。”

  但包括人类在内的所有四足动物都用肺呼吸。因此,必须要有与外鼻孔相通的内鼻孔,这样才能使外部空气顺利进入肺部,保证动物对氧气的需要。内鼻孔形成鼻腔和口腔之间的通道,当嘴巴闭合或动物取食时,内鼻孔就成为四足动物呼吸的唯一通道。

  卢静称,这支肉鳍鱼类除了有内鼻孔外,一些与陆地生存相适应的其他结构也逐渐演化出来。“比如内耳附近颅顶区域有一个很大的喷水孔,这个喷水孔开始是没有用的,但它恰恰就是四足动物听觉器官中耳的前身。”

  最早从哪里上岸 登陆点至今还无定论

  从志留纪到泥盆纪,鱼类登陆历经上百万年。然而鱼类最早在什么地方登上陆地还是未解之谜。目前发现的证据表明,最早的四足动物的脚印化石位于在波兰中泥盆世早期的地层中,距今约3.97亿年前。泥盆纪四足动物化石分布主要集中在欧洲和北极圈,尤其是东格陵兰岛附近。

  然而卢静告诉记者,四足动物的祖先鱼类最早的化石记录却是在中国云南曲靖、昭通等地发现的。

  2009年,科学家在云南发现了迄今世界上最古老、保存最完整的有颌类化石——梦幻鬼鱼;2013年,科学家又发现了初始全颌鱼。它有着一张硬骨鱼的典型面部,但身体却是盾皮鱼类。

  这些研究表明,从志留纪到泥盆纪中期的漫长时间里,中国有颌脊椎动物化石的形态比其他地方同期的化石都要原始一些,并且多样性极高。

  “所以也有假说认为,欧洲地区发现的早期四足动物是从中国迁移、扩散过去的,但由于目前化石记录很不完整,对此尚无定论。” 卢静说。(代小佩)

[责编:张佳兴]

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