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向阳而生:有光才有万物

2021-03-03 16:28阅读:

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——揭开寒武纪大爆发之谜
文/姚斌
这是我读到的第三部运用格栅思维多学科研究的著作。第一部是《知识大融通》,第二部是《叙事经济学》。而《第一只眼》则是运用物理学中的光学原理解释寒武纪生命大爆发之缘起。自达尔文发表《物种起源》以来,寒武纪生命大爆发就一直被视为生命演化史上未解之谜。为破解这个未解之谜,科学家们提出了各种各样的假说,但从未有一种假说被证实。《第一只眼》是安德鲁·帕克十三年来的研究成果,他聚焦于寒武纪生命大爆发的原因之上,从光线、眼睛和视觉的角度入手进行思考,认为是“第一只眼”引发了寒武纪生命大爆发。
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寒武纪生命大爆发,或许是地球生命史上最戏剧化的事件。仿佛在眨眼的功夫,现今所有主要动物的祖先类型都演化出了具有坚硬质地的身体构造以及各式各样的外形。对此,达尔文迷惑不解。“寒武纪”这个词最早是由英国剑桥大学伟大的地质学家亚当·塞奇威克提出的。1831年,在威尔士地区的丘陵中,人们第一次挖掘到5.42亿年到4.85亿年前的生物化石。由于发现这些化石的山脉的古罗马名称为Cambria,因此这段时期被塞奇威克命名为“寒武纪”。
在5.42亿年前,地球上只有3个具有不同外形的动物门类,然而,到5.38亿年前,地球上却已经拥有了38个动物门类,这与现今留存的动物门的数量相同。作为一次重要的演化事件,寒武纪生命大爆发让所有的动物门类都在这次事件中发展出复杂的外部形态。
人类居住的地球大约在46亿年前就形成了,在经过一番陨石的轰炸后,一般认为在39亿年前才有生命出现。但在生命演化前30亿年,地球上只有一些细菌、藻类和单细胞生物。在生命演化史中,生存在海底“黑烟囱”里110摄氏度高温的最原始的生命体——古菌被视为生命演化史的第一阶段,而黑烟囱也可能就是地球上所有生命的摇篮。
接着,那些依赖矿物质繁衍的细菌代表着生命演化史的第二阶段。此时,它们已经不需要依赖那些地球水体中原始积累出的数量有限的有机化合物,它们能在自己的细胞壁内制造有机化合物,并从阳光中吸收能量。这个过程就是光合作用,在这其中需要氢的参与。
蓝藻细菌所依靠的是一种演化而来的重要物质——叶绿素,这是藻类植物和高等植物生存的命脉。随着蓝藻细菌从地球的水中获取的氢,氧被留存下来并进入大气。这是生命演化史进行的第三阶段。它产生了更为深远的影
响,因为它相当于开启了一扇让生命形式具有无限可能的大门。
最原始的生命形式具有蠕虫状的形态。所有动物门的内部身体结构都是在10亿年前到6.6亿年前这段时间演化形成的。寒武纪大爆发绝对是演化史上的一个里程碑。这次事件所具有的重要意义,或许只有生命最初的诞生可以与之媲美。今天生物多样性的出现,都是寒武纪生命大爆发为这一切铺下的道路。这段时期爆发出的创造力空前绝后,而现今动物外形的设计蓝图就是在当时完成的。
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我们现在已知的保存状况非常好且多样性丰富的动物群落化石都是来自寒武纪,至今还没有发现来自寒武纪之前的。各个动物门身体内部的构造演化,其实比寒武纪生命大爆发还要早上1.2亿年至5亿多年。今天在现生动物上发现的各种身体内部构造,曾经隐藏于蠕虫体内长达数千万年的时间。但是,在5.41亿年到5.38亿年前,所有的动物门却突然拥有了坚硬的外壳构造。同时,生物也从蠕虫状或是软体的原型转变成具备复杂且独特的体型。
要知道生命能演化出坚硬的外壳并不是偶然事件。在平静了相当长的一段时间以后,所有门类的生物同时发生了演化。这种广泛的相关性必然需要一个不可抗拒的理由。解释这个问题是“一个价值6400万美元的问题”。安德鲁·帕克所要做的就是揭示出寒武纪大爆发的原因。
关于寒武纪大爆发原因的解释众多。但没有一种解释经得住科学严谨的验证。通常在科学领域中,能准确地认识到一种理论是错误的,这几乎与确认一个正确的理论同样有用。为此,安德鲁·帕克对寒武纪大爆发的原因提出一个全新的解释,即一种被称为“光开关”的理论。帕克的科学探索在于从跨学科的研究中获得独到见解,从而构建一幅多维度的图画。因此,帕克坦承,他的《第一只眼》的目标是终结在对寒武纪生命大爆发原因的不确定性与推测。
我们可以把《第一只眼》看成“光的故事”。帕克从古罗马人“反光通信法”进行思考。反光通信法是罗马人利用金属盾牌反射阳光所创造出来的一种通信艺术。在战争中,罗马人把阳光反射到敌人的眼睛里,使敌人感到目眩眼花,从而战胜敌人。光学研究似乎与进化论无关,但帕克却执着于自然界色彩的问题,因为人类的才智与艺术表现力往往都会集中体现在与色彩有关的选择上。
15世纪时,达·芬奇就努力寻找对光的解释。他认为光与声音都是以振动的方式在空气或水中传播的。达·芬奇后来拓展了他对光的思考,并将注意力从光转移到宇宙里的万事万物中,认为“一切都是通过波来传播的”。他由此得出了一个正确的结论,即光是太阳的一种属性。至此,哲学家开始了从波的角度来思考光。
维多利亚时代早期的英国物理学家托马斯·杨发现,任何颜色都可以通过混合蓝色、绿色与红色这三种颜色得到,这个有用的概念对于科学界和电视机都是极为重要的。在维多利亚时代晚期,有效混色原理是法国印象派艺术家的最爱。卡米耶·毕沙罗在其画作《农户的屋舍》中清晰地描绘了一位走过菜园的农户以及在他前方的一排农舍。若近观这幅画作就会发现画中的景色会变得像素化。你会突然发现整幅画变成了许多红色、蓝色、绿色与黄色条纹的拼贴。而远观时,这些红色和蓝色会融合成烟囱的紫色阴影。
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乌桕大蚕蛾那巨大的翅膀上就融合了芥末黄与灰色的图案,这些颜色来自翅膀鳞片上的色素。但若放在显微镜下观察,翅膀上原本灰色的区域就会显示出许多黑色与白色相间的鳞片,而芥末黄的部分则是由黄色和棕色的鳞片混合而成的。海绵的颜色能覆盖整个色谱,它身上的这些色彩和海葵、龙虾及海星身上的红色一样,都是由色素形成的饱和色。变色龙和墨鱼的皮肤实际上覆盖了各种颜色的色素细胞。由此,我们就能开始思考光作为演化的因素与动物行为之间的关系。
安德鲁·帕克指出,如果一只动物无法适应周围环境的光,那么它就无法存活下去。可以这样讲,光是现今地球上大多数环境里最为强大的一种刺激。生物对光的适应是最为重要的。光作为太阳辐射的精华,存在于地球上很多环境中。若没有光,那么生命的形式将会大不相同。实际上,对日光下生活的各种动物,对显现出来的光学特征都很感兴趣。
动物必须适应照射在它们身上的阳光。它们可以采取两种路线来适应阳光:伪装之路或是醒目之路。而在这样一个演化的分叉路口下面,也许是平衡原则在制约着生物策略的取向。不同的动物之所以会采取各自不同的路线,可能纯粹是在随机或是混乱的情况下造成的,也可能是受到了那些在演化中可以被利用的物质成分的影响,例如与色素有关的结构和原子。一旦平衡更倾向于某条路线,演化就会沿着所选定的路线全速前进,直到没有退路为止。
伪装与醒目之间的平衡,隐藏在自然界每一种意义深远的色彩背后。不论是明显或是不明显的颜色,都表明了这个平衡倾斜的方向。这就是演化的方向,而在正向与负向的选择压力下,巨大的演化差异就产生了。生物借用颜色来伪装自己,可以提供一种间接保护;而生物利用醒目色彩,可以提供一种直接保护。
莫奈曾经告诫我们,人们应该注意避免对环境中的景象产生固定不变的刻板影响。大部分的风景画他都会画很多次,只不过会在一天的不同时间段进行创作,所以他的画都是独一无二的。这种实时性的概念可以直接体现在1891年的两幅关于干草堆的画作中。他在正午所绘的画作中,干草堆是黄色的,但在傍晚时分的画作里,干草堆却被涂上了红色。一个具备完整光谱的物体会在黄色的光线下呈现黄色,而在红色的光线下呈现红色。阳光中紫外线的含量确实会在一天内不同的时段有所变化。在黎明与黄昏时紫外线含量是最少的,这种色彩穿透空气能力最弱,因此在森林的树冠下几乎已经完全没有了,在这里光线就像弹珠一样四处弹跳,然后逐渐被树叶所吸收。因此,有理由将光视为动物“生活方式”的创造者。
莫奈的画作告诉我们,随着天空中太阳位置的变化,陆地上看到的阳光颜色也会发生变化,在海中也一样。但除此之外,还有另一个因素影响着水中阳光颜色——海水的深度。当阳光穿过海水时会逐渐地被吸收,直到最后会彻底地消失。红光、紫外线和紫光是第一批逐渐消失的,所以在水下200米深的阳光只剩下纯蓝光。但其实不论水深是多少,蓝光在海水中的传播性是最好的,即使在浅水区,这种效果也是相当明显。当你潜入超过10米深的海中,世界看起来就会是蓝绿色的。而且,正如预想的一样,动物只会适应它们所生存环境的色彩,也就是那些被海水保留下来的色彩。
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在水面以下200米处许多动物都是红色的,因为这里的光线是蓝色的,而且只有蓝光。红色素因为吸收了蓝光而变得不可见,所以在深海里红色是一种很好的伪装色。但在中层水域里,生物所面对的问题是如何在身体的顶部与底部都显示出保护色。这些生物的应对策略是同时拥有深色的上表皮与浅色的腹部。这种被称为“反荫蔽”的策略在水中很常见,所以这个策略必定是很有效的。
例如,马林鱼身上的色彩在离开水面后非常醒目,但在水里,这些色彩与花纹却能同时发挥反荫蔽与歧化色的作用,使之在其他生物的视线中消失。由于伪装色对这种鱼的生存极为重要,以至于它皮肤上的寄生虫也必须维持这种伪装。如果马林鱼因为保护色被破坏而死亡,这些寄生虫也一样无法生存。此外,这些寄生虫也必须利用伪装色来避免自己被帮助马林鱼去除寄生虫的鮣鱼吃掉。因此,光线对于马林鱼和它身上的寄生虫都形成了一种选择压力。
在演化过程中,生物对光的精确适应随处可见。地球上只有少数动物可以在短时间内适应由亮转暗的环境。但是在海里,是另一种形式的由亮转暗——属于空间上的转换。栖息于不同深度的海洋动物,它们在不同的光照水平之中生活着。许多深海动物都具有“大眼睛”特征,比如在深海中的鱼、鱿鱼和虾,它们都具有更大更敏感的眼睛。尽管光线非常暗,但它们还是在不断地演化以适应周围的环境,说明光线对于它们来说是一个强有力的刺激因素。即使在光线非常暗的地方,自然选择的压力仍然作用于动物身上,使它们适应着光线。从能够看见微弱的光线到演化出自己也能产生一些光亮。这些自生的光被称为生物发光,它们自身发出的光在深海中都成微光形态。
在浅水区,由于光线所产生的小的生态环境增加,从而增加了等足目动物物种的演化多样性。物种之间存在相当大的差异,许多基因突变发生在有限的时间段内,所以在光照水平高的水域,物种演化速度很快。当动物适应了阳光,如果光照水平下降时,繁衍和演化的速度就会显著降低,潜在的小生态环境也会显著减少。洞穴生物多样性很低,演化也比较缓慢,这可能可以归因于缺乏光能为光合生物和视觉系统提供能量。
光在任何一个时间点都可以成为动物行为的控制因素,而且在从“今天的生态系统”演化到地质意义上的“明天的生态系统”中也具有重要的作用。光不仅把过去的动物变为现在的突出耀眼状态或者伪装拟态,而且还驱动着动物向未来演化。如果动物不适应环境中的光线,它们将无法生存。光是支配动物行为的一种主要力量,同时对于那些存活至今的生物,光在过去也一定曾是影响它们演化的重要因素。这个观点是解开寒武纪大爆发谜题的重要线索。
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达尔文认为眼睛是一种“极为完美且复杂的器官”,它能够“呈现一个完美的视觉图像”。而视觉是光波形成图像和画面的一种形式,也是探测光线最为精密的方式。当细菌、动物和植物被一束光照射时,其包含有机分子的感光细胞会产生一个简单的反应。光感普遍存在于许多单细胞生物中,例如阿米巴变形虫和眼虫都有光感。它们细胞中的体液会感光,利用光线来确定方向。
多细胞的动物光感则依赖于感光细胞或者受体。这些感光细胞或受体独立存在,并且复杂程度更有千秋,最为原始的光受体就是单眼。具备单眼的最简单多细胞动物是水母。有些水母的边缘感觉器官包括单眼,以及感受重力、触觉、化学压力的接收器。大部分的水母甚至没有水晶体,它们的色斑无法直接接受光线,甚至有的种类还会演化出一道可以吸收光线的光障,从而保护着侦察其他环境信息的感觉细胞。但也有一些水母,杯状的感光受体表面覆盖着一层水晶体,所以可以对光的刺激产生反应。
当感官的细胞增多,并形成“视网膜”时,“眼睛”才真正的出现。视网膜是由眼睛内部的神经细胞组成的一个薄片,可以准确地分辨投射在它们上面的图像。因此,利用其他器官先将图像清晰的聚焦是非常重要的一步。眼睛的诞生标志着生物已经进入能够“看见”的阶段。从“看不见”的混沌黑暗中,走到“看得见”的光明世界,生物的演化经历了巨大的飞跃。
但是,单眼并不能被称为眼睛。最适合做眼睛化石研究的是,我们在动物身上发现了第二种眼睛类型,仅仅从外部形态上就能被我们推断出更多的信息——今天地球上至少有一半动物都演化出了复眼。复眼拥有更多光线的入口,它是节肢动物身上明显的特征。今天的复眼结构已经出现在甲壳纲动物、昆虫和马蹄蟹身上,复眼已经演化为成熟的视觉器官。
在布尔吉斯页岩中一些节肢动物标本,它们的眼睛对于身体长度的比例都各自不同。不过相同的是,较小的标本通常具有相对较大的眼睛。所有这些“眼睛”都是真正意义上的眼睛。根据与现存物种的视觉器官比较来看,它们的眼睛在寒武纪的时候就已经具有成像功能了。
布尔吉斯页岩生物群生活在寒武纪,更确切的说,它们生活在5.08亿年前。地球上第一只演化出眼睛的生物出现在什么时候?现在我们已经知道的是,大约5.08亿年前地球上生物的眼睛已经演化得很好了,但寒武纪大爆发的时间是在5.41亿年到5.38亿年前。所有现生的、有眼睛的动物的祖先类型,几乎都在寒武纪就已经存在了。
生物的视觉器官应该是在某一时间点演化出来的,并且现在所有眼睛都起源于这个时间点所演化出来的同一祖先类型的视觉器官。安德鲁·帕克将其锁定在节肢动物。也就是说,地球上只有一门当中的生物率先演化出了眼睛,这个拥有第一只眼的门类就是节肢动物。
安德鲁·帕克一直刻意在探寻地球上第一双眼睛的起源。通过排除法,他探索到三叶虫的复眼这一步。已知最古老的三叶虫来自寒武纪早期阶段。世界上已知的最古老且保持完好的是三叶虫的眼睛化石。而在此之前,地球上既没有三叶虫,也没有任何眼睛结构。永远牢记这一光辉的时刻:在5.22亿年前,地球上见证了第一只三叶虫的出现,以及第一双眼睛。
5.22亿年对我们而言可能是一个神奇的数字。从5.23亿年前到5.22亿年前,发生了一次飞跃般的革命——第一只眼出现了。而在此之前,地球上并没有眼睛。在这100万年间,动物视觉产生了。这样就可以解释弗兰克·罗的这句话了——“早寒武纪时期有多古老,那么生物的复眼就有多么古老”。有了光,才有了万物。这就是安德鲁·帕克对于寒武纪生命大爆发的全新诠释。

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