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(shè)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(jù)。
圖為首發(fā)儀式現(xiàn)場。
中新社發(fā)
寒武紀早期（約5.18億年前）生態(tài)復(fù)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(chǎn)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(shù)界依據(jù)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(jīng)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(jù)化石的“蛛絲馬跡”，繼續(xù)向前探源。
從“同源構(gòu)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(guān)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(jù)等，最終得出結(jié)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(gòu)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(chǔ)的同源構(gòu)造是何時、由哪些早期祖先所顯現(xiàn)的。可喜的是，中國學者透過云南澄江動物群這個獨特的科學窗口，經(jīng)過長期探索，找到了關(guān)鍵證據(jù)，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(jù)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(jù)DNA信息，人類與現(xiàn)代黑猩猩親緣關(guān)系最近，運用分子鐘技術(shù)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(nèi)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(nèi)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(gòu)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(guān)鍵證據(jù)。寒武紀大爆發(fā)構(gòu)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(chǎn)者藻類和分解者細菌，幾乎見不到真正的消費者動物；而經(jīng)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(chǎn)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(zhì)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(chǔ)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(jù)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(zhì)變，形成了3個亞界，構(gòu)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(qū)動力包括內(nèi)因和外因。內(nèi)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(chǔ)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(diào)控基因，它決定了各個動物門類形態(tài)構(gòu)造的基本特征。此外，動物界內(nèi)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(shù)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(jù)。
在澄江動物群化石寶庫中，科學家獲得了可靠的進化證據(jù)：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(guān)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(gòu)造顯示，它們實現(xiàn)了神經(jīng)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(guān)鍵器官創(chuàng)造為5億年后的人類軀體構(gòu)型奠定了堅實基礎(chǔ)。特別是“第一魚”的發(fā)現(xiàn)，解決了學術(shù)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(jīng)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(guān)類群的論文多次在《自然》《科學》等國際頂尖學術(shù)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，海口魚、鳳姣昆明魚等“第一魚”相關(guān)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(zhì)的古生物學研究人才隊伍。古生物學是關(guān)于生命歷史的科學，與歷史學性質(zhì)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(jīng)驗；同樣的，我們應(yīng)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(shù)傳播中心、陳家庚科學獎基金會與本報合作推出