分享

正传:33.寒武纪大爆发

 科学声音 2021-04-08

上文书讲到了《自私的基因》这本书的影响很大。后面还提到了社会生物学,当然争议也不小。后来发展成为进化心理学。但是这个进化心理学算不算严格意义上的科学还两说着呢。传统的心理学只告诉我们人类心理是怎样的,而不说它是怎么来的。而进化心理学恰恰填补了这个空白。这个学科的确可以解释很多问题,但是证据不足。你做心理学的统计只能了解现代人。你了解不了古人啊,特别是了解不了原始人是怎么想的。不像古生物学是可以挖掘化石的。

进化论在发展的过程里,古生物学是出了不少力气的。如果不挖出了史前生物化石,恐怕也没有科学家去质疑《圣经》上说的话。毕竟进化是个缓慢的过程。一个人观察一辈子也看不到明显的变化的。但是自打达尔文那个时代起,就有一个麻烦。到现在为止,还有不少反对进化论的人拿着说事儿呢。那就是挖出来的那些化石,缺少中间过渡物种。达尔文那个时代,人类挖掘过的地区并不多。就是以欧洲为中心的那一圈。达尔文觉得,将来总会挖到过渡物种的化石的。后来进化论逐渐占据了主导位置,生物学家们当然也很想挖出过度物种的化石。但是挖来挖去,总是凑不齐。生物的进化过程似乎是有间断的。虽然经过古生物学家的努力,很多缺失的环节已经被补齐了。但是没补上的间断更多。

小象“柳芭”

这时候有一派人马跳出来了,他们下了断言,这些缺失的环节是根本补不上了。因为化石的形成是很偶然的事情。只有物种数量特别多,而且存续时间很长,那么才有可能保留下足够的化石。世界上保存最完整的猛犸象化石名字叫做“柳芭”。这只小象才一个月大。到河边喝水的时候,不小心陷进的淤泥里面,后来河水封冻。这头小象的化石就非常完整的保留了下来。这都是非常偶然的情况才会发生。还有琥珀里面包着个苍蝇蚊子之类的。这也都是小概率事件。假如一个物种存在的时间不长,而且数量也很少,那么就很难留下化石了。

包含蚊子的琥珀

按照这个理论来讲,处于过度环节的那些物种因为数量少而且存续的时间也很短。留下化石的概率很低,因此我们掘地三尺也找不到这些化石。那么是不是可以推论,进化的历程不是均匀渐变的呢?达尔文可是坚持渐变学说的。进化论走到了综合进化论的阶段,有几个明确的结论:

  1. 共同祖先

  2. 自然选择

  3. 物种渐变

每个结论,都受到过质疑。现在看来,共同祖先的质疑是最少的。自然选择是遭受过很多挑战的。但是现在看来越来越多的证据证明自然选择是靠谱儿的。物种进化的速度现在开始有人质疑了,到底是均匀的还是不均匀的呢?其实达尔文自己也没说一定是均匀的。节奏快慢可能是有变化的。但是两派一吵架,那就出麻烦,为了捍卫自己的立场。大家的观点都会变得纯粹、极端。达尔文对进化速度的变化也就不怎么提了。其实他并不否认,进化有块有慢。

史蒂芬·古尔德

渐渐的形成了一种新的理论,那就是“间断平衡”理论。最早是在1972年由埃德雷奇和古尔德系统阐述得。这个理论的主要基石是恩斯特·迈尔的地理成种理论,早在几十年前就已提出了,而且早就被主流学界接受了。迈尔认为,新物种形成的一个重要的机制是所谓“边缘成种”机制。说白了就是一个物种,由于某种原因,火山爆发啦,海水倒灌啦。一小撮动物和大部队走散了,隔离了。大部队因为个体太多了,一个基因突变要想迅速传遍整个物种是很难的。很容易就被稀释掉,最后看不出来了。但是这一小撮动物可不一样,一旦出现某个有利的突变,迅速就能传遍整个种群。周边的环境也发生了变化,这一切都刺激着物种发生变化,演化也会进行的比较快。变化达到了和大部队差异足够大,产生了生殖隔离,新物种就诞生了。等到成功的适应了新环境。数量开始上涨,那么进化速度就慢下来了。先是一脚油门,后边就开始踩刹车了,演化不匀速的。

新物种的萌芽状态必定有两大特点,数量少,变化速度快。古生物学家们哭晕在厕所里。果真如此的话,过渡形态的化石必定是找不到了。间断平衡理论不仅仅能解释化石的不连续。还可以解决很多其他的问题。比如说,传统的缓慢渐变演化是不是太慢了点儿?譬如一个物种花了一百万年,体型增加了10%,这样的例子在化石记录里很常见。但是这样的改变真的可能是渐变的吗?假如真是均匀变化的,儿子比爹大了几微米?而且保持匀速,每一代儿子都比爹大几微米。大几微米有什么竞争优势?凭什么自然选择就喜欢保留这种突变?这不是搞笑么!更大的一种可能是更可能发生的事情是,这个物种在九十九万九千年里的体型都没有明显的定向变化,最后一千年因为遭受了某种新的选择力量而变大了10%。

工业黑化现象

现实中我们的确观察到了速度相当快的演化。有所为的“工业黑化”现象。因为英国进入工业化时代,烟囱冒黑烟,导致树都被熏黑了。白蛾子趴在树上特别显眼,容易被鸟吃掉。于是蛾子们就产生了适应性的变异。翅膀变黑了。和环境保持协调。后来英国环境改善了,不冒黑烟了。这些蛾子又开始变白了。这说明一个道理,生物的适应性演化是很快的。不是想象的那么慢。

还有一种情况大家也都很容易懂。环境发生了变化,物种就开始适应环境,因此也发生演化。说起来好像很有道理的样子,其实不完全是这样。动物是会跑的,天气变冷了,它不会往暖和的地方跑啊。为什么要改变自己的身体呢?适应环境并不一定要靠演化嘛!只有跑来跑去跑不掉了,才被迫演化。从这个方面来讲,大家也都想得到,演化不可能是完全匀速的。

那么间断平衡理论到底是怎么总结的呢,间断平衡有三个要点。

  1. 边缘成种;

  2. 长期静态;

  3. 短期快速演化。

但是间断平衡理论是很容易搞混淆的。很容易跟“新突变论”搞混淆。新突变论曾经很流行,但是到了20世纪中期就没人信了。只有少数人还在坚持,他们说偶然基因突变出现的怪物很厉害,比如突然出现个哥斯拉之类的,非常强大,于是形成了新物种。这种说法大家都不认可,于是这种学说就慢慢沉寂了。

后来随着天文学和地质学的发展,人们发现历史上出现过小行星和彗星撞地球。这不是妥妥的大灾变嘛。传说恐龙就是被砸以后走了下坡路,最后完蛋了。大的灾难会改变自然选择的走向。这个灾难太大了,能完完全全影响生物的总体面貌。这种说法叫做“新灾变论”。这个灾变论倒是有道理啊。有些大灭绝的确和大灾难有关系。麻烦的是,这个灾难到底有多频繁,多大的灾难会改变自然的走向?发生的频率是怎么样的呢?什么叫偶尔来一次呢?新灾变论只能说是个补充。

间断平衡理论和现代综合进化论并不矛盾,综合进化论的两代支柱,同一祖先和自然选择都和进化的速度关系不大。总有人说间断平衡推翻了达尔文的理论,其实这么说是不靠谱儿的。就拿这些人最喜欢讲的寒武纪大爆发为例吧。很多人都说,寒武纪生命大爆发是达尔文解释不了的。但是现代综合进化论加上间断平衡学说是可以解释寒武纪的所谓物种大爆发的。

我们来讲讲这个寒武纪大爆发到底是怎么回事儿。我们现在挖掘的化石已经把生命的起源时间推到了38亿年前。但是那时候出现的都是极其简单的单细胞生物。这种单调的状态一直延续了32亿年,直到5亿年前的寒武纪前期,才出现了新的变化。多细胞的生物出现了。当然啦,前寒武纪有没有多细胞的物种呢?只有零星的证据。

譬如1899年,古生物学家查理·沃科特在蒙大拿发现一些垂直的管道,看起来很像蠕虫钻出来的;但是这些虫子本身并没有留下任何化石,软体动物留下化石太难了。因此也没办法确定这些洞是不是虫子钻出来的。即便是虫子,也跟寒武纪的物种丰富程度没法比。

科学家们在全球的寒武纪地层做了广泛的挖掘。他们得出一个结论:不少多细胞动物化石好像是在寒武系地层里突然出现的。这就奇了怪了。当然啦,这个“突然”其实时间也并不短,好几百万年肯定是有的。寒武纪足有六千万年呢。由此可见,与达尔文的渐变论未必矛盾,即便很快,也快不到哪儿去,快是相对于漫长的地质年代讲的。寒武纪大爆发更让人惊奇的不仅仅是物种的数量,而是门类。各种各样的动物门类几乎都凑齐了。比如棘皮动物等等门类,出现了一大堆稀奇古怪的动物。寒武纪后面的奥陶纪有一场“生物大辐射”。新出现的属和种的规模是寒武纪的三倍。但是那是在寒武纪的框架内进行的。门这个级别的框架在寒武纪已经基本齐全了。

那么首先遭到挑战的就是共同祖先理论。假如这些物种都有共同祖先,那也没办法很短时间内出现了这么多完全不同的门类吧。照道理说呢,几百万年也不短了,也不能说演化的时间不够,但是寒武纪大爆发的速度还是让人吃惊。大家一开始认为那是因为过去的软体动物很难保留化石。寒武纪开始,出现了硬壳的物种,它们比较容易保存下来。因此给人感觉是物种大爆发了。说到底只是一种假象。

最早提出异议的那一批人里面最出名的是克劳德。虽然不能说他发明了“寒武纪大爆发”这个概念,但他确实是第一个严肃考虑这种可能的人。在1948年的一篇文章里,他说了,我们看到的“突然爆发”可能并不是假象,而恰恰反映了寒武纪时的一次重大演化革命。换言之,在寒武纪可能发生了快速的、爆炸式的辐射演化,在短时间内产生了大量的新类群。

普雷斯通·克劳德

为什么偏偏是寒武纪呢?克劳德倾向于认为,在那时大气氧含量超过了一定程度,绝大部分真核生物的生存都需要氧气。对于单细胞而言,全部的氧气都可以靠细胞膜的渗透获得;但是当多个细胞聚集到一起时,体积增大而相对表面积减小,就需要更高的氧气浓度才能够用。当然再往后可以用其他的方法补救,比如演化出鳃、肺和血液循环;但是这第一个门槛必须迈过去。

证据呢?克劳德指出,在海水中二价铁离子和氧气是不兼容的,相遇就会氧化形成三价铁进而沉淀,形成所谓“条带状含铁建造”。这种沉积物曾经遍布太古宇的地层,但在大约18亿年前突然不再形成了。由于氧气可以不断生成,而铁却无法补充,这个停止只能有一种解释:海水里的二价铁在此时被耗尽;而氧气也终于可以开始积累了。克劳德估计,按照这个速度,差不多在寒武纪,氧气足够达到可以维持多细胞生物的浓度。当然,这个估计的证据并不很充分,但是他的挑战已经摆上了擂台:如何证明寒武纪是或者不是一次真正的爆发?如果是,原因又是什么?

达尔文那个时代,寒武纪出土的很多化石都是一些小贝壳。而且支离破碎的,也看不出什么蹊跷的。到了克劳德时代,情况也没好到哪里去。挖出来的东西虽然丰富了很多,但是大家看起来都不太新鲜,长得都比较正常,不就是贝壳啦、三叶虫啦……

伯吉斯页岩在沃尔科特采石场

1909年,查理·沃科特在加拿大布尔吉斯山间小路偶然发现了不少化石。可惜,布尔吉斯位处偏远山区,只有骑马去,别的够呛。沃科特当时更关注于前寒武的生命,他的考察队也太小了,连老婆孩子都齐上阵打下手了,反正,各种各样的原因导致他在布尔吉斯页岩上没有花太多的精力。他在描述分类时仍然沿用了当时的分类学惯例,结果是六万件标本全部归入了已知的门类。1927年他逝世之后,布尔吉斯有一段时间几乎被遗忘了。

过了三十多年,莫里斯等人在此关注到布尔吉斯页岩标本的时候,他们惊呆了。很多物种的身体构型非常特殊,很难归入传统的分类之中。许多人开始考虑为这些奇形怪状的东西建立新的纲甚至门。班特森在1977年提出,有可能寒武纪大爆发的规模比克劳德以为的还要大得多,实际上这场爆发可能是自然界一次狂放的实验,大自然创造出了各式各样的“怪物”,它们大部分是悲催的试验品,没多久就灭绝,只有少数存活下来,成为后来其它物种的祖先。

奇虾

古尔德很开心啊,立马写了一本书,叫做《奇妙的生命》详细介绍了布尔吉斯页岩里面发现的这些稀奇古怪的动物,那些动物不得不让人感叹,大自然真是会开脑洞。些动物长得也太前卫了点儿吧。原来寒武纪突然冒出了这么多以往没有的动物啊。这远远超出了一般人的想象。这本书写的妙趣横生,又是一本畅销书。结果普通人看的津津有味,学术界炸了窝。这些奇怪的物种真的与以前的物种毫无联系吗?全都是寒武纪从石头缝里蹦出来的?

我们下回再说……

    转藏 分享 献花(0

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多