作者舒德干在科研中（資料圖）。

2023年5月，《昆明魚化石》郵資機宣傳戳及系列紀念郵品在西北大學博物館首發(fā)。此次啟用的《昆明魚化石》郵資機宣傳戳，是以中國科學院院士、西北大學教授舒德干團隊發(fā)現(xiàn)的鳳姣昆明魚化石為原型設計制作。鳳姣昆明魚距今已5.18億年，是已知最古老的脊椎動物。該魚的發(fā)現(xiàn)，為揭示寒武紀大爆發(fā)奧秘、破解遠古生命演化謎團提供了獨特的劃時代里程碑證據。 圖為首發(fā)儀式現(xiàn)場。 中新社發(fā)

作者舒德干肖像畫。張武昌繪

寒武紀早期（約5.18億年前）生態(tài)復原圖。作者提供

在浩瀚無垠的宇宙中，像地球這樣“好運氣”的星球少之又少：她連續(xù)40億年維持“恰到好處”的液態(tài)水圈和含氧大氣圈，并最終進化出人類。在漫長歷史中，人類一直在努力探尋自己的源頭，產生了很多神話與傳說。

19世紀中晚期，達爾文的進化論改變了人類的自然觀和世界觀，在之后的150多年時間里，學術界依據進化論繼續(xù)追蹤人類的由來。其中，狹義上人類祖先由猿到人的完整化石序列已經在非洲和亞洲初步確定并被認可。再之前呢？人類祖先的祖先是什么樣子的？作為古生物學家，我們希望根據化石的“蛛絲馬跡”，繼續(xù)向前探源。

從“同源構造”

追溯生命進化過程

1859年，達爾文《物種起源》的問世改變了人們對人與自然關系的認知。12年后，達爾文發(fā)表了《人類的由來及性選擇》，詳細解析了人類與較低等脊椎動物的形態(tài)解剖學特征和比較胚胎發(fā)育學證據等，最終得出結論：人類與所有其他脊椎動物（如魚類、兩棲類、爬行類和哺乳類等）的許多器官都存在共同的來源即“同源構造”，因而人類與低等脊椎動物具有共同的祖先。

當然，彼時達爾文并不知曉，那些最基礎的同源構造是何時、由哪些早期祖先所顯現(xiàn)的�？上驳氖牵�中國學者透過云南澄江動物群這個獨特的科學窗口，經過長期探索，找到了關鍵證據，提出了“三幕式寒武紀爆發(fā)假說”，破解了困惑達爾文“漸變論”的世紀難題。

在本世紀初，生物學家依據分子遺傳學信息，由近及遠地追溯人類與地球上所有生物類群共享的各代祖先，可以確定下來的已有40代。根據DNA信息，人類與現(xiàn)代黑猩猩親緣關系最近，運用分子鐘技術可以計算出人類與黑猩猩在600萬年前擁有共同祖先，即第1會合點；再繼續(xù)向前尋祖，在800萬年前抵達第2會合點，即遇見倒數(shù)第2代共祖。以此類推，人類與包括七鰓鰻在內的近親物種抵達5.2億年前的第22會合點，在那里可以遇見中國云南澄江動物群的重要發(fā)現(xiàn)——“第一魚”鳳姣昆明魚。最終人類與地球所有生物能夠共同追溯至40億年前的終極祖先，抵達第40會合點，那是所有生命共同的祖先——原始真細菌。這個尋祖故事聽起來很有趣，但大多缺乏真實的化石記錄。

然而，在距今5.6億—5.18億年前的大約4200萬年間，發(fā)生了整個生命史上最為壯觀的生物創(chuàng)新事件——寒武紀大爆發(fā)，即在不到地球歷史1%的時間內誕生了90%的動物門類。大量的動物化石為追溯動物進化和人類遠祖提供了重要標本。前面提到的鳳姣昆明魚，就生活在寒武紀大爆發(fā)巔峰時期。

寒武紀大爆發(fā)后

地球進入“三極生態(tài)系統(tǒng)”

全球廣布的前寒武紀末期的埃迪卡拉生物群（約5.6億—5.4億年前）和寒武紀初期的小殼動物群（約5.4億—5.2億年前），以及時代稍后的澄江動物群（約5.2億—5.18億年前），構成世界三大早期珍稀化石寶庫，為破解寒武紀的生命大爆發(fā)提供了關鍵證據。寒武紀大爆發(fā)構成了地球生態(tài)系統(tǒng)演化的分水嶺：在5.4億年前，地球生命基本維持在二極生態(tài)系統(tǒng)上，也就是只有生產者藻類和分解者細菌，幾乎見不到真正的消費者動物；而經歷寒武紀大爆發(fā)短短的幾千萬年后，便在澄江動物群時期快速產生了完整的三分動物界，從此地球進入了“三極生態(tài)系統(tǒng)”，并一直延續(xù)至今。

寒武紀大爆發(fā)的本質是動物門類創(chuàng)新大爆發(fā)，并非過去人們以為的“物種大爆發(fā)”。我們知道，地球動物界包括數(shù)百萬個現(xiàn)存物種，可以歸屬于近40個門類。所有這些門類通常歸并為3個亞界：低等的基礎動物亞界，包括水母和珊瑚；較為高等的原口動物亞界，包括節(jié)肢動物門、軟體動物門等大多數(shù)動物門類；更高等的后口動物亞界，包括大家熟悉的棘皮動物門和脊椎動物。根據研究，在寒武紀大爆發(fā)期間，20多個主要動物門類分3批快速誕生，由量變到質變，形成了3個亞界，構成了完整的“第一動物樹”框架。這就是中國學者提出并在古生物學界取得基本共識的“三幕式寒武紀爆發(fā)假說”。

動物門類爆發(fā)的驅動力包括內因和外因。內因主要是基因的進化創(chuàng)新，尤其是同源基因串快速分步成型。每個動物門類的同源基因串中包含的基因數(shù)互不相同。在基礎動物亞界的各門類中，同源基因串的基因數(shù)目較少；在原口動物亞界的各門類中可增加到10個左右；而在后口動物亞界的各門類中可多達14個。同源基因串是控制動物胚胎發(fā)育的一串總調控基因，它決定了各個動物門類形態(tài)構造的基本特征。此外，動物界內部各種捕食等級快速形成，“大魚吃小魚，小魚吃蝦米”，越來越激烈的捕食競爭也會加快動物演化的速率。動物門類大爆發(fā)的外因主要得益于約5.2億年前的地球第二次大氧化事件，它使海洋含氧量大幅提升，滿足了大量動物生存和繁殖的需要；另外，海洋里的磷和鈣等生命元素大量富集，進一步加劇了動物門類爆發(fā)的強度。

“天下第一魚”的發(fā)現(xiàn)

解決了學術界兩大難題

早在達爾文創(chuàng)立進化論半個世紀前，進化論早期奠基者拉馬克就提出，動物可劃分為脊椎動物和無脊椎動物兩個超級大家族，而且最低等脊椎動物是由無脊椎動物逐步進化而來。200多年來，科學家一直在苦苦探尋這個進化過程的真實證據。

在澄江動物群化石寶庫中，科學家獲得了可靠的進化證據：古蟲動物門首創(chuàng)了原始鰓裂，開啟了通向棘皮動物、半索動物、云南蟲和脊索動物四大“具鰓裂門類”的呼吸系統(tǒng)革命；緊接著低等脊索動物華夏鰻和長江海鞘，首創(chuàng)了原始脊索及相關肌肉節(jié)，從而啟動了運動系統(tǒng)革命；最后，天下“第一魚”海口魚和鳳姣昆明魚的頭腦眼、脊椎骨和心臟構造顯示，它們實現(xiàn)了神經系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)革命，成功完成了新陳代謝大升級。上述幾次關鍵器官創(chuàng)造為5億年后的人類軀體構型奠定了堅實基礎。特別是“第一魚”的發(fā)現(xiàn)，解決了學術界長期懸而未決的兩大難題：一是宣告地球“第一動物樹”在寒武紀大爆發(fā)高潮時已然誕生；二是實證解決了脊椎動物的分步起源問題，并認識到了首創(chuàng)頭腦眼和脊椎骨的人類始祖真實樣貌。

寒武紀大爆發(fā)之后，到人類誕生，中間又經歷了5次器官改造或改良：第一次，鰓裂的改造，使無頜類演進到有頜類，從而可以主動取食；第二次，從偶鰭游泳平衡到四足登陸行走；第三次，從無羊膜卵到有羊膜卵；第四次，從卵生到胎生、哺乳，長出毛發(fā)；第五次，從四條腿到兩條腿，從哺乳動物腦到人腦。

5次器官改造是從低等脊椎動物進化到人的主要階段，但顯然，從“0”到“1”、從無到有的根本性進化，則體現(xiàn)在從無頭無脊椎到有頭有脊椎的飛躍。因此，“第一魚”的發(fā)現(xiàn)具有重大里程碑意義。“第一魚”成為年度“國家自然科學獎一等獎”的重要成果，發(fā)現(xiàn)“第一魚”及其相關類群的論文多次在《自然》《科學》等國際頂尖學術刊物發(fā)表，《自然》雜志以“逮住第一魚”為題對發(fā)現(xiàn)給予高度肯定。當前，�？隰~、鳳姣昆明魚等“第一魚”相關材料已廣泛入選各國教科書、百科全書和博物館。

古生物研究是大海撈針式的研究，可能幾十年才會遇到一塊好標本。無疑，偶然背后存在必然，好運氣常常青睞有準備的頭腦。當前，中國古生物研究處于國際第一方陣，這得益于我們擁有澄江動物群、熱河生物群、藍田生物群、甕安生物群及三峽的埃迪卡拉生物群、志留紀脊椎動物群等多個得天獨厚的化石庫，同時更因為我們擁有一支高素質的古生物學研究人才隊伍。古生物學是關于生命歷史的科學，與歷史學性質相似。我們學習歷史，因為它有助于人類獲取在社會上立足和發(fā)展的經驗；同樣的，我們應該學習和了解古生物學，因為它能幫助人類在與大自然協(xié)同演化中不斷取得發(fā)展。

（作者舒德干為古生物學家、中國科學院院士、西北大學教授，曾獲得國家自然科學獎一等獎、國家自然科學獎二等獎、長江學者成就獎一等獎）

中國科協(xié)科學技術傳播中心、陳家庚科學獎基金會與本報合作推出

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