腔棘魚“復(fù)活記”

2018-03-02 18:14王川

大自然探索 2018年1期

王川

腔棘魚的發(fā)現(xiàn)，被認(rèn)為是20世紀(jì)最重要的科學(xué)事件之一?？茖W(xué)界普遍認(rèn)為，腔棘魚很可能是水生動物到陸生動物之間的重要過渡物種。

活生生的腔棘魚

腔棘魚又被稱為幽靈魚、海中之王和深海怪獸。在半個(gè)多世紀(jì)的漫長時(shí)間里，不斷有潛水員在搜尋腔棘魚的過程中遇難，但人類始終沒有放棄尋找這種有4億年歷史的活化石。

在距今4億年前的泥盆紀(jì)時(shí)代，海洋生物開始探索陸地。從腔棘魚的化石標(biāo)本看，它們的鰭更像陸地動物的四肢。有科學(xué)家認(rèn)為，在這次偉大的生物登陸演化過程中，進(jìn)化鏈條上缺失的一環(huán)，很有可能就是腔棘魚。1938年，一位漁民捕到的一條丑魚震動了整個(gè)古生物界，因?yàn)榛谷换盍恕?/p>

1938年12月22日，南非科摩羅群島附近，東倫敦自然博物館的館長拉蒂邁女士在海邊巡視。一艘拖網(wǎng)漁船駛進(jìn)了東倫敦港，從甲板上看，捕魚成果頗豐。這些海貨中，漁民要留下一部分。這是因?yàn)槔龠~和漁民已經(jīng)早有約定，東倫敦博物館每次舉辦新展覽，都要從漁民手中收購一些海星、海綿或者鼠尾魚用作展品。拉蒂邁從成堆的海貨中挑選著，突然，她發(fā)現(xiàn)一條藍(lán)色的魚鰭。她挪開了其他魚，展現(xiàn)在她眼前的，是一條綻放著奇光異彩的魚。

這條魚長約1.6米，碩大的藍(lán)色眼睛，渾身被堅(jiān)硬的魚鱗覆蓋。最吸引人的，是它四肢一樣的魚鰭。拉蒂邁從未見過如此不同尋常的魚鰭，她決定不惜任何代價(jià)，一定要將這條魚保存好。

1938年的冷藏條件不像現(xiàn)在那么發(fā)達(dá)，冷凍保存標(biāo)本的難度非常大。拉蒂邁向開普敦的停尸房尋求幫助，負(fù)責(zé)接待她的高大男人當(dāng)即回答：“我從沒聽過這么荒誕的請求。絕對不可能。絕對不可能?！?img alt="" src="https://cimg.fx361.com/images/2018/03/05/zira201801zira20180113-1-l.jpg" style=""/>

絕望的拉蒂邁向160千米外，羅德斯大學(xué)的史密斯教授發(fā)出了求助函。史密斯教授的專業(yè)是魚類學(xué)，同時(shí)也是一名專業(yè)化學(xué)家。拉蒂邁的信上繪有一幅腔棘魚的簡單素描，史密斯教授看過后非常震驚，認(rèn)為這是不可能發(fā)生的事情——這分明就是腔棘魚，但它們應(yīng)該和恐龍一起滅絕了。史密斯教授也沒有時(shí)間親自為這條怪魚驗(yàn)明正身，只是在信件往來中，給拉蒂邁一些指導(dǎo)和建議。

無奈的拉蒂邁只能將魚做成標(biāo)本，她將怪魚的外殼剝下，固定在標(biāo)本架上，因?yàn)闆]有使用防腐劑，她只能將魚內(nèi)臟丟棄。后來得知此事的史密斯教授惋惜地表示，如此粗暴地處理腔棘魚，是整個(gè)科學(xué)界都不愿意看到的悲劇。

史密斯在回憶錄中寫道：“發(fā)現(xiàn)活體的腔棘魚，這就好像你走在街頭，突然看到竄出來一頭活恐龍。”腔棘魚的發(fā)現(xiàn)，被認(rèn)為是20世紀(jì)最重要的科學(xué)事件之一。

腔棘魚屬于硬骨魚，是現(xiàn)存肉鰭總綱中最古老的物種。最大的腔棘魚可以長到2米長，體重可達(dá)90千克，壽命在60年以上。腔棘魚的全身被一層堅(jiān)硬的魚鱗覆蓋，這些魚鱗充當(dāng)了腔棘魚的盔甲。腔棘魚全身有8只鰭：2只背鰭、2只胸鰭、2只腹鰭、1只尾鰭和1只臀鰭。19世紀(jì)30年代人類首次發(fā)現(xiàn)腔棘魚化石，第一次了解到地球上還出現(xiàn)過這樣的生物?？茖W(xué)界普遍認(rèn)為，腔棘魚很可能是水生動物到陸生動物之間的重要過渡物種。

藏在深海的活化石

科學(xué)家認(rèn)為：在腔棘魚生活的時(shí)代，北美大陸與非洲大陸相連，如今的紐約市就挨著摩洛哥。不止北美大陸和非洲大陸，整個(gè)地球當(dāng)時(shí)只有一整塊超級大陸——盤古大陸。在后來的億萬年時(shí)間里，超級大陸慢慢分裂成現(xiàn)在的世界大陸格局。所以，全世界都發(fā)現(xiàn)了腔棘魚化石，唯有南極大陸沒有發(fā)現(xiàn)過。

1830年左右，人類首次發(fā)現(xiàn)腔棘魚化石，盡管后來采集到的化石標(biāo)本體型差距較大，但都具有一些明顯特點(diǎn)：頭部都有一個(gè)奇怪的關(guān)節(jié)、魚鰭非常類似四肢，且脊骨中空。達(dá)爾文的“進(jìn)化論”認(rèn)為，生命起源于大海，在億萬年的進(jìn)化長河中，魚類進(jìn)化出兩棲動物，然后進(jìn)化出哺乳動物，最后進(jìn)化出了人類。腔棘魚很有可能就是人類的祖先。

1938年拉蒂邁發(fā)現(xiàn)的標(biāo)本只有殘存的外殼和骨骼，內(nèi)臟已經(jīng)被全部丟掉。沒有內(nèi)臟，科學(xué)家就不知道腔棘魚的內(nèi)臟是更接近魚類、兩棲動物、爬行動物還是哺乳動物。尋找另一條活體腔棘魚，獲取它的內(nèi)臟，成了史密斯接下來的全部工作。憑著豐富的海洋魚類知識，史密斯教授認(rèn)為，東倫敦市附近海域應(yīng)該還不是腔棘魚的天然棲息地。因?yàn)榍患~屬于熱帶深水魚，它們應(yīng)該生活在赤道附近海域。而且，如果腔棘魚的確生活在東倫敦市附近，為什么之前沒有大量捕獲腔棘魚的記錄？

通過層層推理，史密斯教授認(rèn)為，生活在赤道礁石區(qū)的腔棘魚，隨著洋流穿過莫桑比克海峽，一路漂流到了東倫敦市。史密斯印刷了各種語言的傳單，沿著非洲東海岸一路發(fā)放。他向漁民懸賞100英鎊，只為了找到第二條腔棘魚樣本。

功夫不負(fù)有心人。終于在1952年12月，在距離第一條腔棘魚被發(fā)現(xiàn)的14年后，從當(dāng)時(shí)法屬殖民地科摩羅群島的一座小火山群島上，傳來了發(fā)現(xiàn)腔棘魚的報(bào)告。

科摩羅群島的漁民的捕魚傳統(tǒng)持續(xù)了一千多年，當(dāng)?shù)貪O民偶爾也會捕捉到一種叫做“高貝薩”的魚，也就是腔棘魚。當(dāng)?shù)厝瞬怀郧患~，因?yàn)榍患~的肉質(zhì)非常油膩，口感十分惡心，強(qiáng)行食用會導(dǎo)致腹瀉。漁民如果捕撈到腔棘魚，會毫不猶豫地將它們丟回大海。史密斯在得知科摩羅群島發(fā)現(xiàn)腔棘魚后，驚喜萬分，并迅速向南非政府尋求幫助。當(dāng)時(shí)的南非總理馬蘭下令，用一架軍用C-47運(yùn)輸機(jī)送史密斯教授前往科摩羅群島。

史密斯教授從漁民手中接過了腔棘魚標(biāo)本，標(biāo)本散發(fā)著濃烈的甲醛防腐劑味，運(yùn)輸過程也給標(biāo)本造成了一些損傷。史密斯一行人攜帶著腔棘魚標(biāo)本，迅速坐飛機(jī)返回了開普敦。第二天，馬蘭總理在見過標(biāo)本后打趣道：“這么丑的魚，我們也是從它演化來的？”

回到實(shí)驗(yàn)室后，史密斯馬上開始解剖工作。通過解剖，史密斯發(fā)現(xiàn)腔棘魚和現(xiàn)代魚類有很多不同點(diǎn)。除了奇怪的四肢狀魚鰭，腔棘魚的脊索結(jié)構(gòu)吸引了他的注意。腔棘魚沒有脊椎骨，而是以一條中空的“脊索”支撐身體，這也是腔棘魚得名的原因。脊索從腔棘魚的大腦一直延伸到尾部，中空的脊索里充滿了密度較小的油。脊索是脊椎的前身，負(fù)責(zé)支撐腔棘魚的身體。腔棘魚體內(nèi)沒有任何氣竇，這種結(jié)構(gòu)讓腔棘魚可以在1000米深的水下生活。endprint

腔棘魚的內(nèi)臟非常類似現(xiàn)代鯊魚和鰩魚的內(nèi)臟，腔棘魚的心臟非常小——與其說是心臟，更像是主血管上的一個(gè)突起。腔棘魚在許多方面類似陸地四足動物：退化的肺部、肉狀鰭和負(fù)責(zé)將腹部血液送回心臟的靜脈。并且，在腔棘魚身上發(fā)現(xiàn)的靜脈是真正的腔靜脈，而四足動物體內(nèi)也有腔靜脈。腔棘魚的血管系統(tǒng)和其他魚類的血管系統(tǒng)有著本質(zhì)上的不同。

腔棘魚體型很大，它的大腦卻很小，體積還沒有人類大拇指帶指甲的那一節(jié)大?？茖W(xué)家在腔棘魚前突的吻內(nèi)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)充滿膠狀物質(zhì)的小洞。科學(xué)家認(rèn)為，這是腔棘魚的電脈沖感受器，腔棘魚用它來感知天敵發(fā)出的微弱生物電脈沖。

腔棘魚有巨大的目，它們的眼球清澈有如水晶球?？颇α_群島的居民甚至愿意相信，腔棘魚的眼睛里燃燒著火焰。其實(shí)，腔棘魚眼球碩大且美麗的原因在于它們在黑暗的深海生活，需要收集足夠多的光線，而一對足夠大的眼球才能保證這點(diǎn)。

潛入深海一探究竟

盡管人類對腔棘魚的研究工作進(jìn)行了數(shù)十年，但直到現(xiàn)在，也沒有任何人對腔棘魚進(jìn)行數(shù)小時(shí)的長時(shí)間觀察。這是因?yàn)?，腔棘魚生活在氧含量十分高的深海區(qū)域。如果腔棘魚被各種因素帶到氧含量較低的淺水區(qū)，它們就無法生存太久。就算在今天，技術(shù)實(shí)力再雄厚的海洋館，也無法保證捕捉到的腔棘魚能長時(shí)間存活。

腔棘魚無法在人工條件下生存，科學(xué)家也就無法觀察它們在天然棲息地交配、捕食和躲避天敵的種種過程。要想一探究竟，只有乘坐潛水艇去找它們。

1999年11月，在非洲科摩羅群島附近的深海區(qū)，德國科學(xué)家弗里克及其研究團(tuán)隊(duì)建造了一艘潛水艇“Jago 號”，用其進(jìn)行深潛。這次深潛是為了尋找活體腔棘魚。Jago號潛水艇長3米，重3噸，可搭乘一名駕駛員和一名觀察員下潛到海面以下400米深的海區(qū)。這次搜尋行動進(jìn)展很慢。潛艇探尋進(jìn)行了好幾周，團(tuán)隊(duì)一無所獲。研究人員回憶說：“當(dāng)時(shí)船上的每一個(gè)人都已經(jīng)非常絕望?！?/p>

終于在后來的一天上午9點(diǎn)，研究人員在200米的深水區(qū)發(fā)現(xiàn)了腔棘魚。這條腔棘魚對潛艇的強(qiáng)光幾乎沒有做出反應(yīng)，并沒有像一般魚類那樣逃走。發(fā)現(xiàn)的這條腔棘魚體型十分巨大，游動的姿態(tài)也非常奇怪。和科學(xué)家猜測的一樣，腔棘魚生活的環(huán)境非?；臎觯瑤缀鯖]有天敵存在。白天，它們成群聚集在火山洞里；到了晚上，腔棘魚們集體深潛到600米以下的海域。膠片記錄下了腔棘魚在自然棲息地活動的整個(gè)過程，這也是人類第一次觀察腔棘魚如何運(yùn)動它們的魚鰭。當(dāng)初史密斯博士曾經(jīng)斷言腔棘魚是一種爬行魚類，這次觀察到的野生腔棘魚，否定了爬行魚理論。從潛艇拍攝的視頻記錄，可以看出腔棘魚一直懸浮在海床之上，并非史密斯猜測的——腔棘魚在海底爬行。

腔棘魚的移動方式很奇怪，由于它們體內(nèi)充滿了油脂，腔棘魚可以保持中性浮力，并且能以任何姿態(tài)漂浮在水中，它們也會利用上升或下沉的洋流漂浮。腔棘魚身上的六只魚鰭就像船槳一樣不停地劃動：上下兩鰭朝身體后方劃動；左右兩對肢狀鰭朝身體前部和中部劃動。在靠近海床的地方，腔棘魚不會使用成對的偶鰭，它們只需要單獨(dú)使用尾鰭，就可以產(chǎn)生足夠的推力快速移動。

雖然腔棘魚不用鰭爬行，但美國科學(xué)家朱伊特認(rèn)為，腔棘魚魚鰭的運(yùn)動姿態(tài)類似動物的行走姿態(tài)。腔棘魚的游泳姿態(tài)和四足動物的游泳姿態(tài)相同。作為四足動物的人類，我們在剛學(xué)會走路時(shí)，就知道交錯擺動手腳——左腳向前踏出，同時(shí)右臂向前擺動。腔棘魚也具有這個(gè)特點(diǎn)：右胸鰭和左腹鰭同步運(yùn)動。和腔棘魚的許多其他特征一樣，這一點(diǎn)再次證明了腔棘魚在朝更高級的四足動物方向進(jìn)化。

生存的絕技：先進(jìn)的繁殖策略和低代謝率

現(xiàn)代腔棘魚的外表可能和4億年前它們的祖先并沒有太大區(qū)別，但是為了避免滅絕，腔棘魚肯定在不斷進(jìn)化以不斷適應(yīng)新的環(huán)境。腔棘魚能夠順利生存到現(xiàn)代，都要?dú)w功于兩點(diǎn)：先進(jìn)的繁殖方式和極低的新陳代謝水平。

腔棘魚的繁殖方式和其他魚類的繁殖方式很不一樣。腔棘魚的魚卵和一個(gè)普通橘子差不多大，是所有魚類里最大的魚卵。碩大的魚卵里，包含了胚胎生長所需的營養(yǎng)。當(dāng)時(shí)的科學(xué)家認(rèn)為，腔棘魚會將卵產(chǎn)在海底。1975年，位于紐約的美國國家自然歷史博物館收到了一條雌性腔棘魚標(biāo)本，博物館在對其解剖后發(fā)現(xiàn)，這是一條懷孕的雌魚，體內(nèi)有五條小腔棘魚。這個(gè)發(fā)現(xiàn)給科學(xué)界帶來的震撼，不亞于當(dāng)初發(fā)現(xiàn)腔棘魚標(biāo)本。直到此時(shí)，人類才知道腔棘魚是體內(nèi)受精，這意味著，小魚會在母體內(nèi)孵化，出生時(shí)就已經(jīng)是成型的幼體?，F(xiàn)代魚類中，鯊魚采取的也是相同的繁殖策略。幼魚出生后，每條魚都攜帶一個(gè)較大的卵黃囊，魚鰭和魚鱗也已經(jīng)成形。早在哺乳動物出現(xiàn)之前，腔棘魚就已經(jīng)采用類似的繁殖策略，來提高幼體的存活率。

弗里克他們發(fā)現(xiàn)：在多年對腔棘魚的觀察中，他們從未發(fā)現(xiàn)幼魚，只看見過亞成體。腔棘魚的幼魚必定生活在他們不知道的地方。弗里克的團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)給一頭懷孕的雌性腔棘魚安裝了無線電標(biāo)記，在對這條雌魚進(jìn)行追蹤的過程中，他們觀察到了驚人的事實(shí)：這條雌魚潛到約750米深處，并且整個(gè)白天一直停留在同一深度。弗里克猜測，這條雌魚正在生產(chǎn)，但他無法證實(shí)這點(diǎn)。腔棘魚的幼魚可能生存在更深的海底，避免被成魚吃掉。

腔棘魚胚胎需要三年才能完全發(fā)育。為什么它們需要這么長的時(shí)間孵化幼魚呢？這是因?yàn)?，在已知的所有脊索動物中，腔棘魚的代謝速度是最慢的。按照弗里克團(tuán)隊(duì)的計(jì)算，一只腔棘魚每小時(shí)每千克只需要消耗3.8毫升氧氣。緩慢的代謝速度很可能是腔棘魚胚胎發(fā)育緩慢的原因之一。

一條成年腔棘魚，每天只需要進(jìn)食12克食物就能保證存活，極低的新陳代謝率恰恰也是腔棘魚生存到現(xiàn)在的絕招之一。腔棘魚的代謝速度很低，平時(shí)依靠體內(nèi)的低密度油脂漂浮在海中，這樣可以在很大程度上節(jié)約能量。在需要捕食獵物時(shí)，腔棘魚作為肉食魚的兇猛本性顯露無遺。弗里克他們發(fā)現(xiàn)，腔棘魚的頭部有一個(gè)巨大的感電器官。在高鹽海水中，生物游動會產(chǎn)生電場，腔棘魚很可能就是依靠探測海水中的微弱的電場變化來判斷獵物的方向。當(dāng)與獵物非常接近時(shí)，腔棘魚的尾部突然發(fā)力，迅速撲向獵物。它張開上下顎，將獵物連同海水一起吸入口中。腔棘魚一般捕食小魚、章魚和魷魚。這些動物被吸入腔棘魚口中后，被腔棘魚細(xì)細(xì)的牙齒攔住去路，無法逃脫。

DNA測序結(jié)果再次震驚科學(xué)界

在距今約4億年前的泥盆紀(jì)時(shí)代，有一部分肉鰭魚開始探索陸地，它們中的一部分就是如今陸地四足動物的祖先。肉鰭魚總綱下，有腔棘魚綱和肺魚四足綱。科學(xué)界之前一直不能確定肉鰭魚總綱中的哪一種魚和四足動物更接近。

2013年，華盛頓大學(xué)生物學(xué)教授阿梅米亞領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上公布了對腔棘魚的DNA測序的結(jié)果。研究團(tuán)隊(duì)完成了對非洲腔棘魚的基因組測序和組裝。這項(xiàng)研究始于2003年，研究團(tuán)隊(duì)在各種四足動物的基因組上標(biāo)注了251個(gè)基因點(diǎn)，并與腔棘魚的基因進(jìn)行一一對比，以確定腔棘魚在現(xiàn)代生命樹上的具體位置。十年過去了，阿梅米亞的小組終于得出了結(jié)論：四足動物與肺魚的親緣關(guān)系比腔棘魚更近。這個(gè)結(jié)論結(jié)束了學(xué)術(shù)界持續(xù)了數(shù)十年的“腔棘魚和肺魚誰是四足動物近親”爭論。

科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，今天生活在深海的腔棘魚，它們的演化速度非常緩慢。這可能是和它們生活的環(huán)境缺乏進(jìn)化壓力有關(guān)：腔棘魚幾乎沒有天敵，印度洋深海的生存環(huán)境也非常穩(wěn)定。缺乏生存壓力的腔棘魚，它們的進(jìn)化速度相比其他生物自然要慢得多。正是因?yàn)檫@個(gè)特點(diǎn)，現(xiàn)代腔棘魚的基因非常接近它們的祖先，對現(xiàn)代腔棘魚的基因測序結(jié)果才有足夠的說服力。