2020-05-18 14:30

破解达尔文悬案!5亿年前人类的祖先竟是它

#想法

人体构造不是由父母或是祖父母创造的,而是在很久很久以前,由低等生命逐步创造出来的。那么,是谁或者说是哪些低等动物创造出了这些基本构造?这些基本构造又是如何出现的?


本文来自微信公众号:格致论道讲坛(ID:SELFtalks),作者:舒德干(中国科学院院士、西北大学教授)


非常荣幸有机会分享多年来学习达尔文进化论、做科学研究的一些心得体会。我分享的题目是“寻找5亿年前人类由来的证据——哪些人祖首创了第一口、第一鳃裂、第一头脑、第一脊柱、第一心脏”。


关于这个问题,我们有一系列的证据,它们都来自中国。“天下第一鱼”——昆明鱼目就是证据之一。


达尔文的未解难题


探索人类祖先的由来始于达尔文。在当代,一位伟大的达尔文进化论者——英国皇家科学院院士道金斯写了很多有意思并且具有广泛影响的书籍,其中一本叫《祖先的故事》,讲的就是人类的由来。



道金斯推测,40亿年前,人类祖先的祖先不过是一个很小的单细胞,从那时到现在,人类一共经过了40“代”。道金斯给出的证据是分子遗传学的间接证据。


有意思的是,书中还引用了一些直接证据,其中特别提到了我们的“天下第一鱼”,它非常接近5亿多年前人类的第18“代”祖先。


当然,无论生命科学如何发展,所有这一切都是从达尔文开始的,他的贡献非同凡响。


我们知道,在最近500年,科学的发现和技术的发明不计其数,但是真正称得上伟大的、颠覆性的科学思想革命只有两次:一次来自于是16世纪的哥白尼,另外一次来自于19世纪的达尔文,他创立了进化论。

 


可以说,达尔文的思想改变了世界,改变了人类的自然观和世界观;与此同时,他也留下了不少科学难题等待被破解。


达尔文在一生中写了10多本有关生命科学和地质科学的专著,其中让他成为伟大的思想家和哲学家的是这样两部著作——《物种起源》和《人类的由来》。


《物种起源》揭示了地球上的生命作为一个整体,其本质就是在自然选择的推动下,最终形成一棵生命谱系树。这棵树上的所有生命,或近或远,都存在亲缘关系。



《人类的由来》这本书则揭示了人类的本质——人只是这棵树上的一小片叶子,这片叶子从低等动物进化而来。


我曾有幸受邀翻译《物种起源》。我认为,这本书的核心思想有两个:一是自然选择推动了生物的进化,二是地球上所有的生命构成了一棵生命之树。



尽管达尔文开创性地提出了上述观点,但受到当时客观条件的制约,他也遇到了很多科学难题,主要体现在以下三个方面:



第一,遗传学的真谛。生命是如何遗传和变异的?达尔文所处的时代是没有遗传学的,这是很麻烦的一件事。


第二,演化过渡类群的缺失。这不属于生命科学范畴,而是古生物学问题。在生命演化过程中,肯定出现过无数过渡类型,可在达尔文的时代,人们找不到这些过渡类型,这也影响了当时的人们对寒武大爆发的判定。


寒武纪大爆发是否真的存在?其本质究竟是什么?由于过渡类型的缺失,达尔文对此非常恼火。


第三,人类源自低等动物的真实、直接的证据何在?人类祖先的消化系统、呼吸系统、运动系统、神经系统如何起源?


达尔文根据很多间接证据,如人类与低等动物在形态构造上有诸多相似性、胚胎发育有很多相似性,天才地得出一个结论——至今还是正确的,即:人类由低等动物演化而来。


不过,达尔文穷尽一生也没有找到直接证据证明这一点。因此,寻找真实的化石证据就成了达尔文留给后人的一项任务。


这三个难题对于达尔文进化论的树立和发展至关重要。好在继达尔文之后,一位叫孟德尔的生物学家通过豌豆实验创立了颗粒遗传学说,随后又有一系列的科学家根据颗粒遗传学说提出了基因遗传学说。


此处所说的颗粒是基因。人们最早在果蝇身上发现了基因,其最先发现者摩尔根因此获得了诺贝尔奖。之后,从事相关研究的人也陆续获得了诺贝尔奖。


可见,只要破解达尔文当时所面临的难题,找到实打实的证据,就能获得诺贝尔奖,就会有突破性的科学贡献。


动物界是何时形成,又是怎样形成的?


达尔文提出的第二个和第三个难题属于地质古生物难题,尽管破解它们注定永远不会获得诺贝尔奖,但不解决这两个难题,进化论就无法得到支撑,更不可能向前发展。


其中的第一个难题是关于寒武纪大爆发的。我们知道,地球在40亿年前就出现了生命,但我们无法确切知道在其后的30多亿年里还存在过哪些生命,因为始终没能找到这些生物的化石。


之所以会出现这种情况,是因为这些生命是单细胞生物,它们太微小,也太脆弱,所以,这些生命的化石根本无法被保存下来。



而到了5.4亿年这个关键节点,发生了一件令人震惊的事,在不长的时间内,大量生物突然出现,我们称为寒武纪大爆发。生物是怎样过渡到寒武纪的,在达尔文的时代,人们并没有寻找到相关化石。


尽管达尔文反反复复强调:“自然界不存在飞跃。”实际上,在达尔文之后100多年的研究表明,他的这个看法是有缺陷的,因为寒武纪大爆发的确存在,因为在5.4亿年前后的一段时间,生命突然大量出现。


由此,大多数学者接受了这样一种观点,即地球上的生命在寒武纪突然一下子冒了出来。


这意味着,所有的生命处于同一条起跑线上,因为它们同时演变出来。对于这一观点,神创论者相当开心,认为这代表是上帝一次性创造了动物界。那么,这个说法到底对不对呢?

 


这种说法存在一定的问题。我们依据现有研究成果得出的结论是,在寒武纪大爆发中,动物不是同时演变出来的,而是由量变到质变,经过三步才创造出了地球上的动物界。其核心聚焦在动物界是何时形成的,又是怎样形成的。


通过对现代100多万种动物的研究,生物学家发现它们按照由低等到高等的顺序可以分为三个群体——基础动物亚界、原口动物亚界和后口动物亚界。



其中,基础动物亚界是最低等的,该亚界包括珊瑚、水母等动物,它们的口与肛门合一,从口里吃进去的食物经过短短的消化后,再从口里排泄出来,其新陈代谢水平非常低。


原口动物亚界的动物的构造相比前者就复杂多了,它们前面有口,后面有肛门,中间还有消化道,其新陈代谢的效率较高。


至于后口动物,它们的构造与原口动物差不多,不过在胚胎发育过程中出现了口和肛门颠倒这一怪现象,使得原来的原口变成了后口或者是新口。


由此,古生物学家完成了关于三分动物界的认知,他们接下来需要回答的就是这个三分究竟是上帝突然创造出来的,还是在自然界中逐渐演化而来的。 


将目光转向5.2亿年前的云南澄江,那里的动物群是最好的着眼点,不仅代表了当时整个生物界的基本面貌,而且其中的化石蕴含着极为丰富的生物学信息。

 


这是因为当时的动物躯体都是软的,澄江地区保留下来的不仅有它们的硬壳,连鼻子、眼睛、肠子等都依稀可见。这对于研究生物进化是非常有利的。30多年来,我们有多个研究团队在澄江当地持续开展研究工作。


令人欣慰的是,在开展研究工作的第一个十年,我们就取得了重大进展。1984~1994年,人们原来没有见过或很少能见到化石的基础动物亚界和原口动物亚界,基本都被填满了。但在后口动物亚界,一个能确定的种类都没找到,留下了一大堆问号。



这种情况在第二个十年发生了戏剧性的改变,西北大学的研究团队在澄江找到了后口动物亚界的6个门类,其中有5个门类是现在的后口动物亚界的祖先,还有一个则已经灭绝。



这表明,在5.2亿年前,地球上存在后口动物亚界。围绕有关研究成果,我们在英国的《自然》杂志和美国的《科学》杂志上发表了一系列文章。



第三个十年也有很多发现,并且支持了第二个十年的研究成果。这意味着,在5.2亿年,澄江动物群就有了三分动物树,这也是100多年来国际古生物学和进化生物学取得的重大突破。



尽管成果斐然,但我们更想知道的是,在5.2亿年前的5.4亿年、5.6亿年,地球上的生物又是什么情况?



根据各方的研究成果,我们最终确定,基础动物亚界、原口动物亚界和后口动物亚界是分三步逐渐创造出来的,而不是一次性大爆发的结果。



据此,我们提出了一个新的假说,叫作“三幕式寒武纪大爆发”。


人类远祖基础器官的创造


第二个问题就要检索到人类的祖先。我们先谈近代祖先,即看看距今几百万年的时候;再谈远古祖先,那是距今5亿多年前的时候。


在《人类的由来》一书中,达尔文认为非洲的黑猩猩和大猩猩跟人类在形态学、生理学、行为学、生殖学等很多方面非常相似,所以它们可能是人类的近亲。



事实的确如此,非洲的黑猩猩和大猩猩会制造和使用工具,还有社会群体,甚至跟人类一样有着非常丰富的情感。如果将黑猩猩和人类的喜怒哀乐等表情一一对应,会发现,二者的亲缘关系非常接近。





在亚洲,古生物学家发现了很多证据,有北京猿人,也有印度尼西亚的爪哇猿人,但这些证据比较零散,缺乏系统性。

 


在非洲,经过半个多世纪的研究,人们发现了最为系统的证据,那就是距今三四百万年前的南方古猿以及后来的能人、直立人、智人等。



这个证据链条非常完整。对比大脑发育和脑容量的发育,我们发现,其智力发展也非常快。



对于近代祖先的研究,因为这些直接证据的存在,我们取得了不小的成果,但也不是全无问题。在这几百万年的时间跨度里,我们找不到创造器官的直接证据,所以我们需要继续回溯时光,看看人类远古的祖先是如何创造器官的。


我们手中有两个研究工具,其一是进化的逻辑,即演化生命树;第二个,要有证据,它既可以是直接证据,也包括间接证据。

 


所谓间接证据,就是分子证据、发育证据,这属于现代生物学家的工作范畴。至于直接证据,要靠化石。我要介绍的就是直接证据,也是最后一个大问题,远祖进化新证据。


具体来说,就是看看5亿年前,没有上下颌的“无脸”祖先是如何创造出基础器官的。



在《人类的由来》这本书里,达尔文猜想我们来自于低等生命,但在该书结尾,达尔文这样写道:“虽然人类具有高贵的品质、仁慈,富有同情心,其智慧能力远高于其他生命,甚至能够认识太阳系构成和运动;但人体器官构造永远打上了来自低等生命的标记。”



换句话说,人体构造不是由父母或是祖父母创造的,而是在很久很久以前,由低等生命逐步创造出来的。


那么,是谁或者说是哪些低等动物创造出了这些基本构造?这些基本构造又是如何出现的?


研究表明,人体有8大系统、50多个器官,它们不是同时出现的,而是被逐步创造出来的。



最早出现的人类的祖先的祖先,应该是像卵子一样的小囊体,有口,但是可以没有肛门,也不会有鳃裂。


如果它进化为更加复杂的生命,就要产生专门负责呼吸的前体以及专门负责消化的后体,出现前后体之别,这就是二分体。一旦它长出头脑来,就变为了三分体。在人类的整个演化过程中,可能需要很多步骤,但这三步是最基础的。



我介绍的顺序和上面的进化过程恰好相反,先介绍三分体,再汇报二分体和单囊体。



我们为什么可以这么确定人类的演化过程?因为我们找到了相关的化石证据,这些证据都是在我国发现的,并且为全世界所公认。


先来看看三分体动物,这是我们在20年前发现的。可能有人会问:里面怎么没有脊椎动物呢?这是因为从胚胎学来看,所有生命在早期都是一条鱼的形态,无论其身体构造是复杂还是简单。人也一样,人的本质就是一条鱼。

 


1999年,我们发现了这条“天下第一鱼”,将世界上最早的鱼的记录向前推进了5000万年。英国《自然》杂志高调地用了5页版面对这项研究进行了报道。



随后,我们陆续发现了更多的鱼的标本,大概有几百块,它们都是三分体结构,前面有头,中间有躯干,肛门后面是专门负责运动的尾巴。



它们跟人类真的有关系吗?我们来看看其中的两个基本构造就清楚这一点了。


它的脊椎很有意思,既像文昌鱼一样,有低等动物的脊索,又有高等动物的一节一节的脊椎构造,这表明,它是一个很好的过渡类型,就像始祖鸟一样,一半像恐龙,一半像鸟类。



它的脊椎和人类胚胎中脊椎的早期形态一致。我们现在长的完全是硬骨,而它是软骨加脊索的构造,这说明,它是我们人类祖先的祖先的祖先才有的构造。


再看眼睛,眼睛是脑的外延,既然它已经有了眼睛,就说明它已经有头了,堪称最早的有头类动物,也是我们智慧的起点。人类之所以如此聪明,就是因为具有大脑,大脑的起点就在这里。



需要说明的是,这种三分体的鱼直到今天依然存在活化石,我们称其为七鳃鳗。顾名思义,它身体两侧每侧各有7个鳃孔,跟海口鱼非常相近。


总体而言,眼睛的作用非比寻常,它是鱼类获得自然界80%信息的一个关键构造。眼睛是大脑的外延构造,它的出现是智慧的标志。


将“天下第一鱼”和其他所有的脊椎动物放在一起进行比较,我们发现,无论它们现在是否依然活着,还是已经灭绝,人类是由鱼逐步演化而来的。



其中最基础的就是“天下第一鱼”,它创造了脊椎,创造了头脑,所以它得到了国际和国内学术界的普遍认同。



我们的科学研究当然不能停滞在认识到了“天下第一鱼”。鱼的祖先又是什么呢?可能是二分体。目前有两项化石证据,我重点讲其中的一项,它来自于我们建立的绝灭动物门——古虫动物门。


最初,科学家认为古虫动物属于节肢动物,长得像虾,身体分为两节,是二分体。后来,我们花了将近20年时间证实,古虫动物是有鳃裂的。



鳃裂是后口动物亚界的关键性状,所以,古虫动物是达尔文曾经非常期待的过渡类型,是原口动物亚界向后口动物亚界演化的过渡类型。



古虫动物是如何进行新陈代谢的呢?它的身体分为两节,前面一节是肌肉型的,通过肌肉的收放,水被吸进体内,其中所包含的食物也同时进入它的身体,并被输送到后面的消化道,消化完后,废物由肛门排泄出去。



它的呼吸器官在身体前部,两侧有5对鳃裂型出水孔,和现在的鲨鱼一模一样,二者属于同源构造。


这一构造的出现改变了后口动物整体的新陈代谢,一伸一缩之间,氧气也有了,食物也有了,而且二者还进行了分流,效率非常高。


还有一个证据在胚胎发育阶段,即:人类的早期胚胎具有鳃裂。目前所发现的最早具有鳃裂的动物化石就是古虫动物,由此可以想见,二者间具有密切的关系。



此外,我们还有关于残迹构造的证据。比如,有些孩子在胚胎发育阶段,鳃裂没有封闭好,出生以后,鳃裂的残迹构造就留在了身体上,腮瘘病就属于这种情况。


残迹构造的出现无论是对孩子来说,还是对其父母家人来说,都是件令人悲伤的事情,也是个错误,但残迹构造的存在也让我们记住了祖先的鳃裂,记住了祖先创造腮裂的丰功伟绩。




关于人类祖先的最后一个要点,就是单囊体皱囊虫有口无肛。这项工作是由我们团队的青年学者韩健完成的。该单囊体化石发现于灰岩之中,它比澄江动物还要早1500万年,是最早的单囊体化石。




由于灰岩遇到醋酸发生分解,其中所包含的由磷酸钙构成的皱囊虫化石却不会分解,因而得以保存下来,我们在电子显微镜下就可以观察到它的表观形态和内部结构。




《自然》杂志以封面文章的形式介绍了这一研究成果。



英国广播公司(BBC)对此报道说,这是科学家在中国发现的人类最古老的祖先。




美国的《纽约时报》也不甘人后,以《大口史前人类元祖》为标题进行了报道,认为它有口无肛,是最低等的动物,很有可能接近于“天下第一口”。

 


之所以说“接近”,是因为在5.35亿年前可能还存在其他有口无肛的动物,只是目前我们还没有找到。


皱囊虫的发现证明,至少在前寒武纪,在5.4亿年前,口这一器官就被创造出来了,所以皱囊虫可能接近于“第一口”。


单囊体、二分体和三分体,是寒武纪爆发中的标志性发现,也是由最低等动物进化到人类的三个最关键步骤,因为它是人类始祖基础器官三个奠基性创造。

 


这些发现值得我们铭记,因为它们是中国学者在中国的土地上发现的,并且为外国学者所一致认同。动物界早期的三个伟大进化里程碑为人类远祖的消化系统、呼吸系统、运动系统、循环系统和高级神经系统等器官系统完成了奠基。

 


这也可以称得上是达尔文《人类的由来》的升级版;当然,今后我们可能也会写一个升级版的《人类的由来》。


上述发现的科学含义和人文意义不言而喻。它深层次解答了古希腊经典人文命题:我是谁?我从哪里来?

 

我是谁?我是一套基因组,我们这套基因组不仅仅是从父辈、祖父辈延续下来,而且是从几万代甚至上亿代之前的一些祖先逐步遗传下来的。

 

我们可以看到,5.35亿年前,我们祖先的近亲——不敢说是直接的祖先,可能是其姊妹或者是表姊妹,就长这样:有口,没有肛门,像一个小圆球。




接下来是二分体,再接下来出现了头脑,成为三分体。如果再继续发展下去,我们会发现它长出了颌。


有了上颌、下颌,就有了颧骨,就构成了脸。然后,在3亿多年前就爬上了岸。最后,站立起来,可以采摘食物、打猎,学会使用工具和制造工具;最后,创造了语言。这就是人类的进化过程。


本文来自微信公众号:格致论道讲坛(ID:SELFtalks),作者:舒德干(中国科学院院士、西北大学教授)

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