2020-01-16 21:38

因为四亿年前一条勇敢的鱼,才有了今天的你

本文来自微信公众号:“SELF格致论道讲坛”(ID:SELFtalks),作者:卢静(中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员),Photo by Jeremy Bishop on Unsplash


“我们在日常生活中,并不能够看到我们自己的骨骼长什么样子,但是我们通过这种方式,可以看到我们周围的动物,它们的骨骼长什么样子,然后来了解动物的演化是怎样的。”


人是猴子变来的,猴子的祖先其实是一种小型的哺乳动物,小型的哺乳动物的祖先又是一种爬行动物。


追溯到4亿年前,人类的祖先是一条鱼,一条爬上陆地的鱼,这就是我研究的主要内容,研究到底是哪一条鱼最后爬上了陆地。


爬上陆地是非常艰难的一件事情,一条鱼要爬上陆地,首先鱼鳍会变成四肢,从鳃呼吸变成肺呼吸,身体所有的结构都会发生翻天覆地的变化。



正是在4亿年前有那么一条勇敢的鱼爬上了陆地,才有了我们现在的四足动物,有了我站在这里。来一起认识一下这些4亿年前的鱼。


研究化石脑的原因


对于鱼来说,所有身体的变化里面,鱼的脑的演化是最重要的,这也是为什么我们要研究化石脑的原因。


我们研究化石脑,不是因为我个人的偏好,而是因为脊椎动物的脑及其所有神经组成了一个非常重要的结构,这个结构统称为中枢神经系统。


这个神经系统对于脊椎动物来说,是最重要的结构,所以我们需要了解它到底发生了什么变化,最后让鱼可以变成人类。


为什么研究化石脑(中枢神经系统)呢?因为我们的脑,在我们的祖先还是鱼类的时候,也是最早的脊椎动物出现的时候,就分为5个部分,到现在依然是5个部分;脊椎动物刚开始出现时拥有12对脑神经,到现在依然是12对脑神经,这些都是有同源性,可以进行比较的。


鱼的不同的骨头,有的很多,有的很少,有的愈合了,有的分得很开,我们比较骨骼很难得出演化的结论,但是研究化石脑,我们可以知道脊椎动物最重要的结构是什么样的。


这是一个现代鲨鱼的脑,另外一张是4亿年前的、现在已经灭绝的盾皮鱼类的脑,看看它们是不是非常像?我们现在要研究脑,但脑是软体的,所以到底怎么研究化石脑呢?



其实我们研究的并不是脑的软体的这一部分,而是脑印在身体骨骼上的硬膜部分,我们把这个部分叫作颅内膜,研究化石脑其实就是研究颅内膜的演化。


这是瑞典非常著名的生物学家林奈,他为生物界做出了一个非常重要的贡献,那就是他发明了生物的双命名系统。



我站在这儿,可以把我叫做人,也可以把我叫做现代智人,这是我的学名,也是你们的学名。诺贝尔奖是在哪儿颁奖呢?瑞典。



连续磨片机的诞生


瑞典是很有科学氛围的国家,20世纪20年代的时候,瑞典出现了一批非常重要的科学家,他们用当时最先进的仪器——连续磨片机,对化石脑颅进行研究。


简单说,这些科学家把最先进的方法用到了研究化石上,进行了非常精细的比较解剖学工作,当时瑞典也成为了全世界做古生物研究最出名的一个地方。


这张照片上是当时瑞典学派几个主要的创始人,他们是瑞典学派的4个巨头,他们主要做的研究工作是:利用连续磨片机把化石磨成很薄很薄的一片,然后对它拍照、绘图,最后再用蜡制模型的机器,重建出来一个完整的化石的脑颅,这样就可以用来进行研究了。




这也是当时最先进的方法,他们用这种方法研究了各种各样的早期脊椎动物,那段时间这些瑞典科学家提出了很多非常重要的假说,比如,四足动物是怎样起源的。



三孔理论假说是错误的


这是1967年瑞典学派最鼎盛时期的照片,这里面有一张东方面孔,她是张弥曼院士,这张照片是她第一次到瑞典求学时拍的。



去年她获得了一个非常重要的奖——“世界杰出女科学家奖”,这是联合国教科文组织颁发的。因为“她开创性的工作为水生脊椎动物向陆地的演化提供了化石证据”。



这句话可能听上去有点绕了,她到底做了什么工作呢?这要从她在瑞典学派开始求学的时候讲起。


1967年张老师首次来到了瑞典,因为各种原因,她在1980年重新返回瑞典继续她的博士研究。



当时她的导师是瑞典学派几个著名创始人之一雅维克,雅维克做了一件非常重要的事情,他把一个最重要的,当时认为是鱼到四足动物祖先的一个中间过渡类型,叫真掌鳍鱼的鱼。


用连续磨片的技术,对它的脑颅进行了研究,并且写了一本非常重要的传世经典,现在我们的教科书里面依然在用他的研究。雅维克做这项研究用了25年。


张老师回到瑞典跟着雅维克继续学习,这个时候她研究的是什么呢?她从中国云南带来了一个大概2.8厘米的肉鳍鱼的化石头骨,这个鱼叫杨氏鱼


她做的工作就是把这个2.8厘米的头骨一片一片磨下来,磨成了大概500多张片子,然后重建它的脑腔,在这个过程当中她有了一个重要发现。



雅维克过去曾经提过一个有关四足动物起源的学说——三孔理论,作为我们祖先的鱼要爬上陆地,需要用内鼻孔呼吸,其实隐藏在嘴巴里的颚部有一个鼻孔,这个就叫作内鼻孔,内鼻孔是四足动物能够爬上陆地最先决的条件。


雅维克的重要理论提出了四足动物的三孔起源假说,意思就是说,鱼一般是有两对外鼻孔的,爬上陆地的那只鱼不仅有两对外鼻孔,还有一对内鼻孔。


在张老师的研究工作中,她把杨氏鱼,也就是雅维克认为是四足动物直接祖先的那个鱼,做了连续磨片,磨到了它的鼻囊,就是鼻孔这个位置。


结果她发现,杨氏鱼有两对外鼻孔,但是她没有在杨氏鱼身上发现内鼻孔,这意味着像杨氏鱼这样的鱼类根本就没有内鼻孔,也就意味着雅维克提出来的,当时一直在学界占主导地位的假说,三孔理论假说是错误的。


雅维克每天都会去看张老师的工作,他看到这些工作的时候,心里也在慢慢地接受这个结果,但是他还是很不开心的。


他看到张老师工作的时候,他走过来就会对张老师说一句话,他说:“That is enough.”意思是说:够了,你做得已经够多了,你已经证明我是错的了。


张老师做的工作确实否定了雅维克过去提出的理论,但是科学就是摆事实,讲证据,我们不能因为他是权威,就要接受他的观点。


雅维克有一天特别生气,他指着这条鱼说:“This is a devil fish(这是一条恶魔鱼)。”张老师说:“恶魔鱼不错。”


正好她从中国带来另外一条标本,那条鱼是一个新的鱼,还没有命名,就命名为“恶魔鱼”吧,所以就有了Diabolepis,也是一种非常重要的鱼。


我们中文没有把它翻译为魔鬼鱼,我们把它叫作奇异鱼,因为它是一种很有意思的鱼。


这是张老师过去做的一些研究。这是当时她用杨氏鱼做出来的磨片,以及重建的脑腔,还有最右边的是张老师做的杨氏鱼蜡制模型的标本。



如果感兴趣的话,可以到我们研究所旗下的中国古动物馆,地址在西直门外大街142号,在一楼展厅里,就可以看到这件标本。


这就是我刚刚讲到的鱼,这是一条普通的鱼,它有两对外鼻孔,和我们是不一样的。



通过张老师的研究,就知道了我们的祖先是由一种只有一对外鼻孔和一对内鼻孔的鱼类演化而来的,而不是像杨氏鱼以及其他的肺鱼型的鱼演化而来的。



CT技术重振化石脑的研究


刚刚讲的是我的老师们是怎么用当时的最先进的方法研究鱼脑的,这是20世纪20年代到80年代最主流的研究方法。


但是20世纪80年代之后,没有人再这样研究了,因为化石实在是太宝贵了,有时候我们发现的脑化石就一件,不可能把它磨成一片一片进行研究。



所以,自从20世纪80年代以后,我们的这一部分工作基本上就陷入了停滞状态,直到有位研究人员,他用了一项新的技术——CT技术,研究我们的化石鱼的脑,这个时候我们的研究才重新兴起了。



去过医院都知道核磁共振,就是把你放到一个台子里,然后有一个机器会转360度,这个时候会获得一些你的切片图像。


X射线(CT技术)应用在古生物研究中


医生通过你的切片图像,就可以知道你的身体哪里是正常的,哪里有病变,我们在化石研究中也应用了相同的技术。


接下来我们看一段视频,这是一个4亿年前的鱼的脑,我们将其CT扫描之后,对它的脑进行了重建。




现在摄像头进到了它的脑腔里面,上面是它的脑腔,下面是它的鼻囊,它的两只眼球非常清楚。


这是我要介绍的一个化石,这也是我读博士时研究的一个材料,它非常小,大概1厘米左右。



这条鱼是非常适合做CT扫描的,2007年我们还没有自己的CT机器,便把它带到澳大利亚进行扫描。



这是鱼头扫描的切片,这是一个连续切片,现在出现的左右两边是它的鼻囊,接下来可以看到鼻囊愈合在一起,中间形成了它的大脑,所有的内部结构都非常清晰。


 鱼头扫描切片


当时,我们暗暗下定决心,回国之后也要研发自己的CT机器。2010年,我们所和高能所以及自动化所合作研发了几台CT机器,其中225Micro CT是用来扫描小标本的,450CT是用来扫描大标本的,这样我们就可以用自己的仪器做实验了,而且也得到了很多好的结果。



这是我们扫描的各种各样的化石,从鱼到各种标本。






2015年,我们又研发出来一台新的CT。很多化石是板状的,板状的化石在CT机里是穿不透的,所以我们研发了专门扫描板状化石的CT机器,用来扫描板状化石,在各个很重要的刊物上都发表了我们的相关文章。这样,我们研究化石脑的方法就多了很多。



研究新时代:虚拟古生物学


现在我们进入了一个新的时代,研究虚拟古生物学,过去我们是拿着化石进行实体研究,现在则是把化石扫描之后,在计算机里对它进行重建、分析,进行数据分析、处理等,这就叫虚拟古生物学。



现在这个手段已经是我们古生物学的一个常规研究手段了,可以说我们比很多学科都更多地应用了CT技术。


通过磨片机制作的连续磨片,我们能获得很少的脑,有了CT机器之后,我们可以重建出大量的脑,包括早期脊椎动物的脑,所有的这些脑的信息结合在一起,就为我们探讨鱼类的脑的演化提供了非常重要的证据。



我讲一个演化中的实例。这是我刚才讲到的,我的博士论文研究的内容,后来也被证明是最古老的四足动物支系当中的鱼类代表。


奇异东生鱼

最古老最基干的四足形类(四足动物+所有的祖先鱼类)


图片中黄色的部分是它的脑腔,紫色的部分是它的感觉管。我在这里想要强调的是橙色部分,三角形的,是它的垂体,它的垂体最前端有一对像角一样的突起,舌头状的突起。



这对舌状突起,在所有的不管是现生鱼类还是化石鱼类中,我们都没有找到。当时我们一直很困惑,这到底是什么东西?但很有意思的是,我们在现生的四足动物——墨西哥钝口螈的垂体里面找到了相似的突起。


墨西哥钝口螈也叫六角恐龙,它是宠物市场里常见的可爱宠物。这一对突起是非常重要的结构,因为它为鱼类爬上陆地提供了直接的证据。


鱼类爬上陆地之后,会有日出日落,有昼夜交替、四季变化。过去在水里生活,这些变化与在陆地上很不一样,鱼类是不用适应的,但是一旦爬上了陆地之后,就必须适应这些变化。


腺垂体结节部就是控制这个变化的中枢。都听过脑白金,脑白金里面起作用的是褪黑素,而腺垂体结节部里面最主要的就是褪黑素。它就好像是水龙头的开关一样,把它拧开,整个通路可以继续。



腺垂体结节部里面的褪黑素通过这样的方式,为四足动物(包括人类)适应季节性的繁殖、昼夜交替等,起到了非常重要的作用。


过去,我们一直认为鱼类是不存在腺垂体结节部的,因为它不需要,然而我们在最早的四足动物支系中的鱼类的脑垂体里面发现了这个部位,意味着鱼类在爬上陆地之前,有一些适应陆地的特征就已经形成了。



就好像前端的这一对突起,在它还是鱼类的时候可能没有用,但是当它爬上陆地后,所有的褪黑素都集聚在这个地方,执行了调节的功能,这就是演化中的预适应现象。


举一个简单的例子,我们是从肉鳍鱼进化而来的,这是一种非常有意思的化石鱼,它的偶鳍是肉质状的,里面含有像我们的胳膊一样的骨头。


其他鱼的鱼鳍里面是没有类骨骼的,而肉鳍鱼类,它的偶鳍里面是有类骨骼的,正是有了这种形式的鱼鳍,最后演化成了后来的四足动物。


因为爬上陆地需要用鱼鳍来支撑自己的体重,所以肉鳍起到了非常重要的作用。有意思的是,在它爬上陆地之前,肉鳍就是执行一个简单的游泳功能,跟爬上陆地没有半点关系,一旦环境改变了,肉鳍就有了演化的机会,变成了我们的四肢,这就是肉鳍鱼类的肉鳍作为预适应的一个经典例子。


3D打印与古鱼类研究


我想讲一点比较有意思的东西。3D打印应该都听说过,这种技术可以用在很多研究领域,我们也把3D打印用在了鱼类研究中。


这个手上捧着一个大的3D打印标本的是我在澳大利亚国立大学的博士生,她拿着一个刚刚打印好的3D模型,大概有50多厘米;右下角是我女儿,她正在拼积木。



我觉得我们在玩3D打印的时候,其实跟小朋友玩积木是一样的。通过3D打印的方式,我们可以把各种各样动物的骨骼全部拆开,又给它组合起来,通过这样的方式来研究动物各个骨头之间的联系。



这是我们用3D打印机打印出来的,我们把上颌和下颌单独打印了。




所以,古生物学还是蛮好玩的,我们不仅可以把3D打印技术应用于古鱼类的研究中,还可以应用于恐龙、鸟类等各种各样的研究中,其实就是等大家来开拓怎样把这些最新的技术,和我们自己的研究结合起来。


本文来自微信公众号:“SELF格致论道讲坛”(ID:SELFtalks),作者:卢静(中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员)

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