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8 你体内的鱼:鳃弓

近来,我们常常在网络或杂志的科学特辑里看到与生物进化有关的报道。也许是因为近些年来海洋污染与生态环境破坏的问题引发了读者对地球自然环境与生命的关注。

每每看到这些报道,我的心里都会产生一个单纯的疑问,那就是,将人类的历史向前回溯5亿年,人类的祖先真的是由鱼类等小型动物进化而来的吗?从外形的差异上来看,人类与鱼类是两种完全不同的生物。

对比一下人类与鱼类的特征,我们会发现,人类与鱼类身上的确存在着很多共通之处。例如,吃下食物、吸收营养后将废弃物排出体外,这一系列的消化器官的构成是相同的。从原始时代起,虽然生物体的结构逐渐变得越来越复杂,这一点却并没有改变。另外,鱼类身上的鱼鳍是先进化为动物的四只脚,并最终进化成人类的四肢的。

那么,大多数鱼类所具备的最显著的特征,水下呼吸器官——鳃又进化去哪里了呢?其实,在考察鳃这一器官的过程中,我们就会认识到,鱼类的确是人类的祖先。

人类的雌性在妊娠后,胎儿发育至5毫米左右时,头部周围会出现几个圆球状的并排凸起,看上去形状有些奇特。鱼类的胚胎在发育的过程中也会出现同样的生理结构。鱼类胚胎头部的圆球状凸起会发育成为一个裂隙“鳃裂”以及一个拱状间壁“鳃弓”。

也就是说,人类在胎儿时期也是有鳃的。当然,人类胎儿的鳃不会发育出鳃裂,而鳃弓之间被称为“鳃囊”的凹槽部分则是存在的。

鱼类的鳃原基会发育成为骨骼、肌肉、神经、血管。人类胎儿的鳃原基会发育变化为一些重要的器官,这些器官被称为“鳃器官”。

人类胎儿有6对鳃弓。第一鳃弓会发育成为下颌骨中心部位的麦克尔软骨以及听小骨中的锤骨与砧骨。第二鳃弓会发育成为听小骨中的镫骨、颞骨的茎突以及舌根部位的舌骨上半部。第三鳃弓会发育成为舌骨下半部。

由鳃弓发育而成的肌肉不易分辨,我们可以以由鳃弓发育而成的神经为基础,对肌肉进行辨别。第一鳃弓发育为第五对脑神经即三叉神经,以及由三叉神经支配的咀嚼肌等。第二鳃弓发育为第七对脑神经即面神经,以及由其支配的表情肌等。第三鳃弓发育为第九对脑神经即舌咽神经,以及咽后壁肌肉。第四至六鳃弓发育为第十对脑神经即迷走神经,以及喉头肌。

鳃弓也会发育成为血管。调查发现,在形成期胎儿的血管是由消化道的腹部一侧通向背部一侧的。但在之后的发育过程中,第一、二、五鳃弓的血管逐渐消失,第三鳃弓发育为内颈动脉,第四鳃弓左侧发育为主动脉弓,右侧发育为锁骨下动脉,第六鳃弓发育为肺动脉以及胎儿期的动脉管。

人类由鱼类进化而来,外形发生了巨大的变化。这一进化历程,在胎儿期鳃弓形成、成长发育中鳃弓又逐渐消失的过程中重新体现了出来。

接下来我们又将面临一个新的问题,那就是,同样作为呼吸器官,鳃弓为什么没有直接进化成人类的肺脏呢?

首先,让我们来看一看,在原始鱼类时代,肺脏是怎样形成的。

生物生活在水中时,是通过鳃来过滤、吸收溶解在水里的少量氧气的。在那一时期,生物如果离开水就无法呼吸。在之后的某一时期,一部分鱼类开始使用消化道呼吸。现在仍旧生活在淡水中的泥鳅,就是一种使用消化道呼吸的鱼类。泥鳅可以通过肠上皮细胞吸收氧气。(一部分龟类也是如此,可以通过肛门吸水的方式进行肠呼吸。)

而后,消化道的一部分进化为袋状,形成了专门用于呼吸的肺脏。生活在南美洲、非洲、澳洲的肺鱼,就是一种生有肺脏的现生古代鱼类,在干旱期河水干涸时,它们可以依靠肺脏呼吸,在淤泥里生存。

查尔斯·达尔文在他所著的《物种起源》一书中曾经推测,肺脏是由鱼鳔进化而来的。实际上完全不对。

东京慈惠会医科大学的冈部正隆教授组织了一个研究组,针对肺鱼的同类——恐龙鱼进行了调查,发现恐龙鱼的肺脏发育过程与陆生脊椎动物的成长过程极为相似。恐龙鱼拥有3对与肺脏发育相关的基因,发挥着与陆生脊椎动物的肺脏发育决定性基因相同的作用。也就是说,通过该研究能够证明,肺脏并不是由原始鱼类的鱼鳔进化而来,而是一部分原始鱼类本身就长有肺脏,人类的肺脏正是由这些鱼类的肺脏进化而来。

2015年,巴西里约热内卢州立大学的研究组在深海腔棘鱼腹腔内发现了在进化过程中废弃不用的退化器官肺脏,也印证了上述结论。并且,腔棘鱼另有一个专用的鱼鳔,里面充满了脂肪,而不是空气。由这一发现可以推测,腔棘鱼的祖先长有鱼鳔,也长有肺脏,并且二者是分别进化的。

鱼类的肺脏与鱼鳃、鱼鳔都不同,是单独存在的。因此,作为鱼类的后代,陆生动物的胎儿的鳃弓也不会发育为肺脏,而是发育为其他的重要器官。

在胎儿期拥有鳃弓的,并不仅仅局限于人类。观察发现,哺乳动物老鼠在受精后从第8日开始,胚胎前部生出鳃弓,至胚胎形成的第10日时,将形成4对鳃弓。之后,第一及第二鳃弓逐渐增大,覆盖住其他鳃弓,向身体内部延伸,同时圆球状突起逐渐消失,最终鳃弓将转化为其他器官。此外,爬虫类、鸟类在胎儿期,也会短暂地出现鳃弓。

鳃弓的转化现象也并不仅限于脊椎动物。卡尔顿大学的贾米拉·库克罗伯帕克研究组,通过对古生代昆虫蜉蝣的幼虫与成虫标本对比后发现,幼虫气管鳃上的血管分布与成虫翅膀上的翅脉是相同的,幼虫的鳃转化为翅膀,幼虫时期与鳃的活动相关的肌肉,在成虫时期转化为了扇动翅膀时所用的肌肉。

肺脏取代了鳃成为呼吸器官后,水生动物来到陆地生活,进化为陆生动物。它们需要大量地获取能量,因此心肺功能逐渐发达起来。

那么,人类只在胎儿期出现的鳃弓,是否会重新进化为鳃呢?

肺脏与鳃的起源是不同的,肺脏必然无法再重新进化为鳃。即便未来人类不得不进入水中生活,要想用鳃呼吸,也需要重新经历进化的过程。

不过,如果现代人类受到环境破坏的影响而灭绝,几亿年后新人类诞生,鳃人即人鱼出现的可能性也是存在的……只不过,如果短期内想要用鳃呼吸,就只能使用人工鳃作为替代品了。

但是,人类使用人工鳃时将会面临一些问题。人类的心肺功能十分发达,在水中活动时,若要获得与在陆地上时等量的氧气,则1分钟内需要处理90升水。那么,使用人工鳃时要向氧气过滤器中灌入大量的水,需要用到超高功率的水泵与电池,因此人工鳃的小型化是很难实现的。此外,通常我们在潜水时使用的水下呼吸器里填充的压缩空气,与地面空气的成分是相同的,而在使用人工鳃时,如果过滤器只过滤氧气,人类呼吸到的气体里只有单一的氧气成分的话,有可能会出现氧中毒。

人工鳃的实现尚需时日,或许人类首先应该考虑的是怎样解决海洋污染的问题。因为,居住在大海里的鱼类,是我们人类的祖先啊。

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