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第12章

宇宙、地球和生命的进化:时间的1000个-第12章


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  细胞结构有这样的优点: 

  第一,它有细胞膜,可以控制物质的交换,可以保证细胞内的大分子经常处于高浓度的状态。如果没有这可贵的膜,细胞物质就会被水冲淡变稀,大分子之间的相互作用就不可能建立了。 

  第二,它有蛋白质和酶,可以催化细胞内的物质代谢,由此得到能源和碳源,并释放出一些能量供代谢的需要。 

  第三,它有完整的遗传系统,这包括遗传物质DNA、三类RNA和核糖体以及细胞分裂的机制,由此可以进行DNA的复制,可以产生出RNA和蛋白质(包括酶在内),可以产生出子细胞。 

  有人认为像病毒那样的非细胞形态的结构,如果在早期地球中,由于基因突变和自然选择可能逐渐发展成原核细胞,一个可能的步骤如下:首先,由于基因突变和自然选择,病毒的体积得到了增大,蛋白质的外膜发展成为原始的细胞膜;其次,也是由于基因突变和自然选择的过程,在原始的细胞膜内,遗传系统逐渐得到完善化;最后,还是由于基因突变和自然选择的过程,在原始的细胞膜内产生出较多种类的酶,于是细胞内的代谢作用逐渐地提高了效率。 

  可以设想,在早期的地球中,各种类型的非细胞生命都在进行大实验、在彼此〃竞争〃,于是,在长期的自然选择中才出现了原核细胞。 

  在原始海洋的某个地区或者其他适宜的地方,一旦出现了原始的原核细胞,它就有了相当强的竞争能力,于是它可以逐渐分布到海洋的其他地区去。首先出现的是不能进行光合作用的细菌,理由是某些细菌类型的细胞比较简单,能够进行的工作比较有限。 

第56节:二、生命演化(7)


  细菌类型的原始生物怎样解决自己的食物问题呢?有理由相信当时海洋里有丰富的有机物,这〃热汤〃可以源源不断地对原始细菌提供能源和碳源。那时地球上的生态系比较单纯,主要成分是原始细菌和〃热汤〃,还有充足的阳光和适宜的温度。 

  最早的细菌类型的呼吸方式是无氧呼吸…发酵作用。当时的地球没有氧气,另外,如果细胞里要进行有氧呼吸,则需要一套机制,需要一系列的酶和细胞色素,不然就不能利用氧气。按照由简到繁的进化原理,先出现的应该是结构比较简单的细胞类型和呼吸方式。 

  可以想象,在养分丰富的环境里,温度又适宜,原始细菌会迅速地生长,得到大量的繁殖。经过一个时期,海洋里到处都有了它,于是出现了许多厌氧类型的细菌。经过许多万年,〃热汤〃的浓度逐渐变稀了,一句话,海洋里现成的有机物逐渐减少了。 

  这样,必然出现了食物问题。 

  在海洋里的有机物还没有被消耗完以前,原核细胞通过突变和自然选择会产生出新的细胞类型,它能够把简单的物质合成为可以利用的有机物。由此,可能出现这样的细胞:它能够把二氧化碳跟氢化合,产生出有机物,这就提供了一些食物。 

  接着,也可能出现这样的细胞:它能够固定氮气,把氮气转化成硝酸盐和氮的有机物,这样,食物的种类就得到了增加。 

  在这样的生化功能的基础上,一些原始细胞可能合成出卟啉和有关的一些其他化合物。卟啉是合成叶绿素等的基本化合物,这就为叶绿素和细胞色素的产生打下了基础。有了叶绿素就可以出现光合作用了,有了细胞色素就可能发展出有氧呼吸的机制了。 

  这意味着光合作用类型的原核细胞要登上生命的舞台了。 

  光合作用的出现是进化的一件大事,从此,食物有了新的更大量的来源,于是〃热汤〃的逐渐消失并不能阻碍生命的继续发展。同样重要的是,由光合作用所产生出来的氧气是一种很活泼的气体,它的出现要逐渐从根本上改变地球的环境,比如说,还原性的大气要逐渐变成氧化性的大气。 

  环境的这种转化要给许多细菌之类的原核生物带来灾难,这是因为氧气对厌氧细菌是有毒的,会把它们杀死。于是原始的细菌在进化中有两条路可走:一是避开有氧气的环境,生活在缺氧的地方;二是逐渐产生出一些能够处理氧气的酶,这就成为好氧细菌。 

  从与氧气的关系讲,现在基本上有三类细菌:厌氧的、好氧的、无所谓的(即在有氧无氧的条件下都能生存的)。有些细菌具有细胞色素和复杂的酶,利用氧气进行呼吸作用,跟我们人类基本上一样。 

第57节:二、生命演化(8)


  环境影响生物的进化,这是一方面。另一方面,新生物类型的出现会改变环境。例如,光合作用的出现至少从两方面改变了环境:使大气有了氧气;使食物有了新的来源。于是海洋里的生态系较为复杂了。 

  5.10亿年前…真核细胞出现

  真核细胞跟原核细胞有若干重大的差异:真核细胞有细胞核膜,染色体大多有若干条,染色体由DNA和组蛋白所组成;而原核细胞只有核区,没有核膜,它的染色体只是一条环状的DNA分子,没有组蛋白。真核细胞的细胞质里有若干细胞器,例如线粒体、叶绿体、中心粒、内织网等;原核细胞没有细胞器。这就是说真核细胞和原核细胞之间有明显的鸿沟,界限分明。那么它们在进化中的关系如何呢? 在生物史中,从化石材料知道,先出现原核细胞,以后才有真核细胞。现在要问真核细胞是怎样来的,是不是起源于原核细胞呢?答案是肯定的。问题是怎样起源的呢? 由于缺乏若干中间类型,大部分论点是根据已知的生物学知识推论出来的。现在比较流行的一个理论是内共生说。按照这个假说,在原始原核生物的进化中,产生出多种类型的原始生物。

  跟这个假说有关的是以下四种生物: 

  (1)蓝藻类的单细胞,它所含有的叶绿素分布在细胞内一层层的膜上。这是叶绿体类型的生物。 

  (2)好氧型细菌类的单细胞,细胞里有片层结构能进行呼吸作用。这是线粒体类型的生物。 

  (3)具有鞭毛的细菌类的单细胞,能活泼游泳。这是代表中心粒类型的游泳生物。 

  (4)一种细胞较大的生物类型,它具有原始的细胞核,能进行有丝分裂。这可以看作是一种〃前原生动物〃。 

  结构复杂的真核细胞由以下的步骤发展而来: 那些个体较大的前原生动物被其他原始生物所侵入,或者它吞下其他原始生物。假定是好氧细菌进入了较大细胞的前原生动物里,于是前原生动物可能受害而死亡,也可能把它消化掉,也可能偶而由于突变而能与入侵者〃和平共处〃,于是逐渐发生了共生作用。共生对两种生物都有利,前原生动物形成了有效的呼吸结构线粒体,而共生的好氧细菌得到安生处所。以后又发生了类似的过程,具有鞭毛的小细胞并入上述的具有线粒体的前原生动物,并发生了共生作用,于是它获得了游泳工具和中心粒子,它的活动能力增强了,结构更加复杂了。这是动物细胞的起源,可以看作是鞭毛虫之类的原始动物。 

  而叶绿体生物(即上述的一类蓝藻)或寄生在上述的鞭毛虫上或被吞吃,于是,经过漫长的过程,在那里也发生了共生作用,这就产生出真核细胞的植物。这大概是一类原始的绿藻。 


第58节:二、生命演化(9)


  有若干事实支持内共生说。例如叶绿体和线粒体都能复制自己,它们具有相对的自主性;它们都有自己的DNA和有关的遗传系统;它们的DNA都是环状的,其遗传系统都跟细菌的遗传系统很相似;它们遗传系统中的核糖体跟真核细胞的核糖体有所区别,跟细菌的核糖体比较相似。 

  现代单细胞生物之中也有一些共生的例子。如一种草履虫跟一种小球藻发生共生作用,一般情况下共生得很好,但是也遇到这种情况:小球藻繁殖过盛,一只草履虫内就含有数以百计的小球藻,数量过大,会影响草履虫的生存。这样的共生关系还需改进。甲藻的染色体并不含有组蛋白,眼虫的细胞分裂并不出现纺锤体等等,可以看作是细胞核进化的一些中间类型。 

  真核细胞的出现使生物类型更加多样化,使生态系增加了新的内容,于是有了性的起源和多细胞生物的起源。从此,进化的速度大大地加快了。 

  6.4亿年前…鱼类出现 

  鱼和脊椎动物 当我们拿起馒头送到嘴边的时候,嘴自然就会张开,这是因为我们的上下颌上附有肌肉,肌肉包着舌头,控制嘴张开的骨骼叫上颌骨和下颌骨,在吃东西时都是利用下颌骨…下巴的活动来咀嚼食物。蛇的嘴可以张得很大,一口吞下一只鸟或一只青蛙,它们的下颌骨是由七块骨头组成,吞食时骨缝可以松开。哺乳动物中的马、牛、骆驼、羊、大象和老虎虽然有的吃食物慢条斯理,有的吃东西狼吞虎咽,但也都是用下巴一合一开地吃,只是速度不同罢了。 

  脊椎动物的下颌骨是经历了从无到有,逐步完善的漫长过程的。在脊椎动物中,最早出现的是鱼形脊椎动物。这些动物的口部还没有形成可以自由开闭、能够随意咬捕食物或抵御敌害的上下颌骨,被动的生活方式说明它很古老。从奥陶纪开始,就已经发现了无颌类脊椎动物的生活迹象。化石无颌类鱼绝大多数身体前部都由骨质的甲胄覆盖,所以也把它们叫作甲胄鱼。没有颌骨的脊椎动物吃东西时,只能靠流动的水将细小的生物带入它的嘴内,所以它们只能在海底坐等良机或过寄生生活。这种寄生的日子使没有下颌的脊椎动物在发展上受到了限制。 

  鱼类开始有了上下颌的分化时,就可以自由自在、随心所欲地捕捉所需的可口食物,同时也促进了身体神经系统、运动器官的发展,为脊椎动物向更广阔的领域发展铺平了道路。 

  在脊椎动物的进化史上,从无颌到有颌,从只有背鳍和尾鳍发展到偶鳍,从取食的进步到运动的灵活,这种种变化带来了鱼类的鼎盛时期。广阔的水域里,出现了具有原始上下颌和偶鳍、身披〃盔甲〃的真正鱼类,给刚刚开始的泥盆纪带来了无限生机。 

第59节:二、生命演化(10)


  众所周知,鱼类是脊椎动物中最大的〃家族〃,现今世界上有25000多种鱼,而鱼类的历史,毫不夸张地说,要比人类的历史悠久得多。在距今约4亿年前的泥盆纪早期,鱼类已经开始成为水域的主宰。 

  古老的鱼类身上具有骨甲,因而把这些来源不同的鱼类都叫作盾皮鱼类。它不同于甲胄鱼,甲胄鱼是把身体套在一个骨质的硬壳里,不分块的骨甲束缚了它的行动,而盾皮鱼的硬壳外衣包裹在身体的前部,又是分成几块的,这样,盾皮鱼在行动上就更加灵活了,游泳速度加快了,有利于它的发展。 

  盾皮鱼种类繁多,其中有10米长的恐鱼,它不但体长,而且是真正的肉食类鱼,是当时海洋中的〃侵略者〃。它属于当时最繁盛的两种鱼类之一的节甲类。节甲类鱼的头和身体部有坚固的骨片包着,但各不相干,只有一对关节相连,吃食物时和大部分脊椎动物相反,下颌不动,上颌向上抬起,然后向下切割,像铡刀铡草一样。我国四川省江油县发现过和恐鱼相似的头骨的甲片化石,定名为〃江油鱼〃。 

  同时,盾皮鱼中还有一种朋甲鱼也较为繁盛。我国发现的朋甲鱼化石比较多,它生活在泥盆纪中晚期,是体型较小的原始有颌类。它的头部、躯干部和胸腔由多块甲片组成的骨甲覆盖,尤其躯干部的甲片最发达。 

  我国云南省还曾发现了盾皮鱼中属于胸甲类的武定鱼、云南鱼和滇鱼等化石。 

  盾皮鱼比无颌的甲胄鱼前进了一步,但笨重的〃盔甲〃是它致命的弱点。它虽然有了不太发达的偶鳍,取食不必等待水的流动,张嘴捕食可以随心所欲,但行动还是受到极大的限制,依然没有摆脱枷锁的束缚,它还是不能自如地在水中行动,只能过底栖生活(生活在水底)。盾皮鱼经历了一段全盛的发展时期,但在激烈的生存竞争中还是落伍了,它由志留纪晚期生活到泥盆纪,也有少数延续到石炭纪早期,最终全部退出了生命的舞台。 

  在漫长的生物发展的历史长河中,鱼类中有的类群全部灭绝了,生存下来的是进步类型的软骨鱼和硬骨鱼。这两大类鱼的总和比现代其他脊椎动物还多。 

  鱼类登陆 1938年12月22日是一个激动人心的日子。在非洲东海岸的伦敦港附近,当地的渔民正在捕鱼,在靠近一条小河口的海中捕捞到一大网鱼,其中有一条鱼和别的鱼不一样。这条鱼是深蓝色的,鱼鳞闪闪发光,鱼的体重足有58公斤,身长15米。当地图书馆的女管理员有丰富的鱼类知识,她发现这条鱼很特殊,于是就通知了附近的一位大学教授。这位教授是个鱼类学家,他一看到这条鱼就惊呆了。经过他的研究,认为这条鱼是古生代总鳍鱼的后代,这个发现否定了总鳍鱼和恐龙是同时灭绝的说法。为了纪念这一重大发现,他们用图书馆女管理员的名字〃拉蒂迈〃为这条鱼命了名。 

第60节:二、生命演化(11)


  这条拉蒂迈鱼的发现曾在动物界轰动一时。拉蒂迈鱼也叫矛尾鱼,是硬骨鱼中的〃珍品〃。科学家对这种〃活化石〃非常感兴趣,可当时天气太热,这条鱼只活了3个小时便开始腐烂,只保存下来鱼皮,后来被制作成标本,它的内脏、肌肉和骨骼都被扔掉了。为了继续捕捞这种鱼,当地博物馆做了大量报道和宣传,还画了宣传画,以便引起渔民的注意。科学家开始到海上大肆搜捕拉蒂迈鱼。 

  拉蒂迈鱼(即矛尾鱼)的发现究竟对我们有什么启示呢?在距今4亿年前的泥盆纪,地面的植物出现了,为生物征服陆地取得了第一步胜利。当时在淡水湖泊及河流中生活着总鳍鱼的一支,它向陆地上发展,成了脊椎动物登陆成功的先驱。总鳍鱼类中有一种叫真掌鳍鱼的登上了陆地,但并不是轻而易举、一朝一夕的事。 

  在4亿年前的泥盆纪刚开始的时候,地壳运动十分激烈,陆地抬高升起,海底大面积升起露出海面,变成高山和平原。大大小小的低洼地在丘陵地带和海滨出现了,接着水生生物向陆地迁移。其中水生植物不用长途跋涉,水一退去就〃自动到达〃陆地,不用挪动,只是改变了环境由泡在水里到站在陆地上。 

  而水生动物也开始了征服陆地的历程,其中一些飞向天空,演变为昆虫,休息时在陆地上有了落脚的地方;其他节肢动物等无脊椎动物,顺理成章地登陆成功。当时水中最高等的动物就是鱼类了,开始人们把登上陆地的英雄的〃桂冠〃戴在了肺鱼的头上。他们认为现代依然生活在非洲、大洋洲和南美洲的肺鱼,在干旱时可以用肺呼吸,并能够用肉质的偶鳍支撑身体在陆地上爬行。鱼类学家进一步研究了肺鱼的特点后,发现肺鱼的身体形态和内部结构并不适合陆地生活,是一种特化的类型。于是摘掉了肺鱼作为脊椎动物登陆先驱的桂冠,开始把眼睛盯在了与肺鱼同时出现的总鳍鱼身上。 

  在泥盆纪晚期,陆地的气候起了变化,出现了季节性的干旱。水边生活着刚刚露出水面的植物,植物的枝和叶落入水中后慢慢腐烂,使得水里的氧气越来越少,许许多多的鱼因缺氧而艰难地呼吸,致使很多鱼窒息死亡。我们今天看到的现生鱼类有两个外

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