“我们找到人类的祖先：一条爬上陆地的鱼”
以下文章来源于格致论道讲坛 ，作者卢静
追溯到4亿年前，人类的祖先其实是一条鱼，一条爬上陆地的鱼。
卢静 · 中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员
大家好，我是卢静，来自于中国科学院古脊椎动物与古人类研究所。首先，我想问大家一个问题，人是怎么变来的？
人是从猴子变来的，而猴子的祖先其实是一种小型的哺乳动物，小型的哺乳动物的祖先又是一种爬行动物。
追溯到4亿年前，人类的祖先其实是一条鱼，一条爬上陆地的鱼。这就是我研究的主要内容——研究到底是哪一条鱼最后爬上了陆地。
爬上陆地是一件非常艰难的事情。一条鱼要爬上陆地，首先鱼鳍会变成四肢，从用鳃呼吸变成用肺呼吸，身体所有的结构都会发生翻天覆地的变化。
但正是在4亿年前有那么一条勇敢的鱼和它的同伴们爬上了陆地，才有了我们现在的四足动物，有了站在这里的我。
所以今天就来讲讲这些4亿年前的鱼。
为什么研究化石脑，而不是化石骨骼？
对于鱼来说，所有身体的变化里面，脑的演化是最重要的，这也是为什么我们要研究化石脑的原因。
我们研究化石脑，不是因为我个人的偏好，而是因为脊椎动物的脑及其所有神经组成了一个非常重要的结构——中枢神经系统。
这个神经系统对于脊椎动物来说是最重要的结构，所以我们需要了解它到底发生了什么变化，让鱼可以变成人类。
研究化石脑的另一个原因，就是我们的脑与其有同源性，可以进行比较。
在我们的祖先还是鱼类的时候，也就是最早的脊椎动物出现的时候，脑就分为5个部分，现在依然是5个部分；脊椎动物刚开始出现时拥有12对脑神经，到现在依然是12对脑神经。
而鱼的的骨头，有的很多，有的很少，有的愈合了，有的分得很开，所以比较骨骼很难得出演化的结论，但是研究化石脑，我们可以知道脊椎动物最重要的结构是什么样的。
下图是一条现代鲨鱼的脑的左半部分与一条4亿年前的、现在已经灭绝的盾皮鱼类的脑的右半部分，它们是不是非常像？
但脑是软体的，所以我们怎么研究化石脑呢？
其实我们研究的并不是脑的软体的这一部分，而是脑印在身体骨骼上的印模部分。我们把这个部分叫作颅内模，所以研究化石脑其实就是研究颅内模的演化。
20世纪20年代到80年代：
化石脑研究中连续磨片机的黄金时代
下图是著名的生物学家林奈，他为生物界做出了一个非常重要的贡献，即发明了生物的双命名系统。
比如，我既可以叫作人，也可以叫作现代智人，这是我的学名，也是你们的学名。
▲ 卡尔·林奈（左）林奈花园（中）
林奈来自于瑞典。瑞典是一个有科学氛围的国家，诺贝尔奖就是在瑞典颁发的。
20世纪20年代，瑞典出现了一批对化石研究非常重要的科学家，他们用当时最先进的仪器——连续磨片机，对化石脑颅进行研究。
简单说，这些科学家把最先进的方法用到了研究化石上，进行了非常精细的比较解剖学工作，使瑞典成为了当时全世界做古生物研究最出名的地方。
下图照片上就是当时瑞典学派几个主要的创始人，他们是瑞典学派的4个巨头。
他们主要做的研究工作是：利用连续磨片机把化石磨成很薄很薄的一片，然后对它拍照、绘图，最后再用蜡制模型的机器，重建出一个完整的化石脑颅，这样就可以用来进行研究了。
这是当时最先进的方法，他们用这种方法研究了各种各样的早期脊椎动物，也在那段时间提出了很多非常重要的假说，比如，四足动物是怎样起源的等等。
下图是1967年瑞典学派最鼎盛时期的照片，这里面有一张东方面孔——张弥曼院士，这张照片是她第一次到瑞典求学时拍的。
2017年她获得了一个非常重要的奖——“世界杰出女科学家奖”，由联合国教科文组织颁发。因为“她开创性的工作为水生脊椎动物向陆地的演化提供了化石证据”。
这句话可能听上去有点绕口，那么她到底做了什么工作呢？这要从她在瑞典学派求学讲起。
1967年张老师首次来到了瑞典，但因为各种原因，她在1980年才重新返回瑞典继续她的博士研究。
当时她的导师是瑞典学派几个著名创始人之一——雅维克。雅维克做了一件非常重要的事情。
他把一个最重要的，当时认为是鱼到四足动物祖先的一个中间过渡类型——真掌鳍鱼，用连续磨片的技术，对它的脑颅进行了研究，现在我们的教科书里面依然在用他的研究。雅维克做这项研究用了25年。
张老师回到瑞典跟着雅维克继续学习时，从中国云南带去了一个大概2.8厘米的叫杨氏鱼的肉鳍鱼的化石头骨。
她把这个2.8厘米的头骨一片一片磨下来，磨成了大概500多张片子，然后重建它的脑腔。
▲ 2.8cm标本，50微米，540张磨片
在这个过程当中她有了一个重要发现。
雅维克过去曾经提过一个有关四足动物起源的学说——三孔理论，即四足动物要爬上陆地，需要用内鼻孔呼吸。其实在我们嘴巴里的颚部隐藏有一个鼻孔，这个就叫作内鼻孔，内鼻孔是四足动物能够爬上陆地最先决的条件。
雅维克的四足动物的三孔起源假说认为，爬上陆地的那只鱼不仅像一般的鱼有两对外鼻孔，还有一对内鼻孔。
但在张老师把杨氏鱼，也就是雅维克认为是四足动物直接祖先的鱼，做连续磨片磨到它的鼻囊，即鼻孔的位置的时候，她发现，杨氏鱼有两对外鼻孔，但是她并没有在杨氏鱼身上发现内鼻孔。
这意味着像杨氏鱼这样的鱼类根本就没有内鼻孔，也就意味着雅维克提出来的，当时一直在学界占主导地位的假说，三孔理论假说是错误的。
雅维克每天都会去看张老师的工作，他看到这些工作的时候，心里也在慢慢地接受这个结果，但是他还是很不开心的。
他看到张老师工作的时候，就会走过来对张老师说一句话，“That is enough.” 意思是：够了，你做得已经够多了，你已经证明我是错的了。
张老师做的工作否定了雅维克过去提出的理论，使得雅维克十分不高兴。但是科学就是摆事实，讲证据，我们不能因为他是权威，就要接受他的观点。
雅维克有一天特别生气，指着这条鱼说：“This is a devil fish（这是一条恶魔鱼）。”张老师说：“恶魔鱼不错。”
正好她从中国带来另外一条标本，那条鱼是一个新品种，还没有命名，于是张老师就将它命名为“恶魔鱼”，所以就有了Diabolepis，这也是一种非常重要的鱼。
我们中文把它叫作奇异鱼，因为它是一种很有意思的鱼。
下图是张老师过去做的一些研究以及当时她用杨氏鱼做出来的磨片和重建的脑腔，右下角的是张老师做的杨氏鱼蜡制模型的标本。
下图是一条普通的鱼，它有两对外鼻孔，和我们是不一样的。
张老师的研究让我们知道了，我们的祖先是由一种只有一对外鼻孔和一对内鼻孔的鱼类演化而来的，而不是像杨氏鱼以及其他的肺鱼型的鱼演化而来的。
这一部分讲的是我的老师们是怎么用当时的最先进的方法研究鱼脑的，是20世纪20年代到80年代最主流的研究方法。
化石脑研究的复兴：CT扫描
但是20世纪80年代之后，没有人再这样研究了。
因为化石实在是太宝贵了，有时候我们发现的脑化石就一件，不可能把它磨成一片一片进行研究。
所以，自从20世纪80年代以后，我们的这一部分工作基本上就陷入了停滞状态。直到有位研究人员，他用了一项新的技术——CT技术，研究我们的化石鱼的脑，这个时候我们的研究才重新兴起。
▲ Maisey，2001（左） Maisey，2010（右）
去过医院的人都知道核磁共振，就是把你放到一个台子上，然后有一个机器会绕着你转360度，获得一些你的切片图像。
▲ X射线（CT技术）应用在古生物研究中（Sakellariouset al.，2004）
医生通过你的切片图像，就可以知道你的身体哪里是正常的，哪里有病变。我们在化石研究中也应用了相同的技术。
接下来看一段视频，视频中是一条4亿年前的鱼的脑，我们用CT扫描之后，对它的脑进行了重建。视频中它的外部、上部的脑腔、下部的鼻囊和它的两个眼球都非常清楚。
下图手掌里是我要介绍的一个化石，也是我读博士时研究的一个材料。它非常小，大概1厘米左右，所以这条鱼是非常适合做CT扫描的。
2007年由于我们还没有自己的CT机器，便把它带到了澳大利亚进行扫描。
▲ 首次尝试高精度CT扫描中国早泥盆世鱼类化石（2007年，澳大利亚国立大学）
下图是鱼头扫描的连续切片，首先出现在左右两边的是它的鼻囊，然后可以看到鼻囊渐渐愈合在了一起，中间形成了它的大脑，所有的内部结构都非常清晰。
▲ 鱼头扫描切片
当时，我们便暗暗下定决心，回国之后也要研发自己的CT机器。
2010年，我们所和高能所以及自动化所合作研发了几台CT机器，其中225Micro CT是用来扫描小标本的，450CT是用来扫描大标本的，这样我们就可以用自己的仪器做实验了，而且也得到了很多好的结果。
▲ 225 Micro CT（左） 450KV通用型工业CT（右）
下图是我们扫描的各种各样的化石，从鱼到各种标本。
▲ 全颌鱼（左上），圆齿鼠（右上） 许昌人颅骨（左下）蚕茧（右下）
2015年，我们又研发出来一台新的CT。
因为很多化石是板状的，而板状的化石在原先的CT机里是穿不透的，所以我们研发了专门扫描板状化石的CT机器，用来扫描板状化石，并在各个很重要的刊物上都发表了我们的相关文章。
这样，我们研究化石脑的方法就多了很多。
▲ Micro-CL (Computed Laminography) 计算机层析成像技术
研究新时代：虚拟古生物学
现在我们进入了一个新的时代，研究虚拟古生物学。
过去我们是拿着化石进行实体研究，现在则是把化石扫描之后，在计算机里对它进行重建、分析，进行数据分析、处理等，这就叫虚拟古生物学。
现在这个手段已经是我们古生物学的一个常规研究手段了，可以说我们比很多学科都更多地应用了CT技术。
通过磨片机制作的连续磨片，我们只能获得很少的脑，但有了CT机器之后，我们可以重建出大量的脑，包括早期脊椎动物的脑。
所有的这些脑的信息结合在一起，就为我们探讨鱼类的脑的演化提供了非常重要的证据。
我讲一个演化中的实例。这是我刚才讲到的，我的博士论文研究的内容，后来也被证明是最古老的四足动物支系当中的鱼类代表。
▲ 奇异东生鱼，最古老最基干的四足形类（四足动物+所有的祖先鱼类）
上图中黄色的部分是它的脑腔，紫色的部分是它的感觉管。我在这里想要强调的是三角形的橙色部分，是它的垂体，它的垂体最前端有一对像角一样的舌头状的突起。
▲ 腺垂体结节部
这对舌状突起，在所有的不管是现生鱼类还是化石鱼类中，我们都没有找到。当时我们一直很困惑，这到底是什么东西？
但很有意思的是，我们在现生的四足动物——墨西哥钝口螈的垂体里面找到了相似的突起。墨西哥钝口螈也叫六角恐龙，它是宠物市场里常见的可爱宠物。
这一对突起是非常重要的结构，因为它为鱼类爬上陆地提供了直接的证据。陆地上会有日出日落，有昼夜交替、四季变化，过去鱼在水里生活，这些变化鱼类是不用适应的，但是一旦爬上了陆地之后，就必须适应这些变化。
腺垂体结节部就是控制这个变化的中枢。都听过脑白金，脑白金里面起作用的是褪黑素，而腺垂体结节部里面最主要的就是褪黑素。它就好像是水龙头的开关一样，把它拧开，整个通路就可以继续。
腺垂体结节部里面的褪黑素通过这样的方式，为四足动物（包括人类）适应季节性的繁殖、昼夜交替等，起到了非常重要的作用。
过去，我们一直认为鱼类是不存在腺垂体结节部的，因为它不需要。
然而我们在最早的四足动物支系中的鱼类的脑垂体里面发现了这个部位，意味着鱼类在爬上陆地之前，有一些适应陆地的特征就已经形成了。
就好像前端的这一对突起，在它还是鱼类的时候可能没有用，但是当它爬上陆地后，所有的褪黑素都集聚在这个地方，执行了调节的功能，这就是演化中的预适应现象。
举一个简单的例子，我们是从肉鳍鱼进化而来的，这是一种非常有意思的化石鱼，它的偶鳍是肉质状的，里面含有像我们的胳膊一样的骨头。
其他鱼的鱼鳍里面是没有类骨骼的，而肉鳍鱼类，它的偶鳍里面是有类骨骼的，正是有了这种形式的鱼鳍，最后才演化成了后来的四足动物。
因为爬上陆地需要用鱼鳍来支撑自己的体重，所以肉鳍起到了非常重要的作用。
有意思的是，在它爬上陆地之前，肉鳍就是执行一个简单的游泳功能，跟爬上陆地没有半点关系。但一旦环境改变了，肉鳍就有了演化的机会，变成了我们的四肢，这就是肉鳍鱼类的肉鳍作为预适应的一个经典例子。
应用3D打印的古鱼类研究
接下来我想讲一点比较有意思的东西。3D打印应该都听说过，这种技术可以用在很多研究领域，我们其实也把3D打印用在鱼类研究中。
下图是我在澳大利亚国立大学的博士生，她手上捧着一个大的刚刚打印好的3D模型，大概有50多厘米。右下角是我女儿，她正在拼积木。
我觉得我们在玩3D打印的时候，其实跟小朋友玩积木是一样的。通过3D打印的方式，我们可以把各种各样动物的骨骼全部拆开，又组合起来，通过这样的方式来研究动物各个骨头之间的联系。
▲ 打印一条3D的鱼，然后”解剖“它
上图这是我们用3D打印机打印出来的，我们把上颌和下颌单独打印了。
所以，古生物学还是挺好玩的。我们不仅可以把3D打印技术应用于古鱼类的研究中，还可以应用于恐龙、鸟类等各种各样的研究中。其实就是等大家来开拓怎样把这些最新的技术，和我们自己的研究结合起来。
来源：格致论道讲坛（SELFtalks）
原标题：《“我们找到人类的祖先：一条爬上陆地的鱼…”》