进化之内脏

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对大多数动物来说,食物的分解是在内脏里完成的。

所以,消化道的演变是生命历程的重要组成部分。所有动物都有专门的消化道,能专门消化不同的食物,使它们完成所需的任务。

动物最早的祖先是没有嘴和胃的。它们是微生物,依赖相互吞噬获取能量。

大约5.75亿年前,生命变得有意思了。

在现在纽芬兰海岸发现的生命体,和现在的生命截然不同。埃迪卡拉生物群是地球上最早的多细胞生命形式。

这些生物非常神秘,研究人员一直不确定它们是植物还是动物。其中一些很小,但有些却能长到2米左右。

为了鉴别这些古老的生命体,古生物学家盖·纳博讷和马克·勒弗拉梅,来到加拿大皇家安大略博物馆,研究罕见的埃迪卡拉动物群化石。(图1)

他们拿它和熟悉的生物比较。它们在生理结构上非常独特,由小的模块构成。现在已看不到类似的生命结构了,现代的动物和它们绝对没有丝毫相似之处。

有些埃迪卡拉看起来像蕨类植物,而另一些则是盘状的,趴在海底。它们的形状使得一些专家猜测,它们是早期的植物。

它们古老的栖息地却讲述了另一个故事。5亿多年前,埃迪卡拉动物群死亡的地点完全是另一个世界,这里的环境能够告诉我们它们肯定不是植物。

对沉积层的分析表明,埃迪卡拉动物群几乎生活在水下1.6公里处,那里永远都是黑暗。光亮度根本不足以看清报纸的标题,更不用说像植物那样进行光合作用了。

它们看起来像植物,但它们能够在没有阳光的环境中繁衍生息。由此纳博讷和勒弗拉梅得出结论,埃迪卡拉实际是地球上最早的动物。

如果它们是动物,它们吃什么呢?

它们是地球上最早的大型食肉动物,从海水中获取食物。我们看不到任何证据表明它们能够活动。它们没有肌肉、内脏、眼睛、大脑。它们固定在海床上,不能外出找食物。埃迪卡拉通过变大来相互竞争。

它们要尽量让自己的表面积最大化,也就是增大身体与海水接触的面积,这样它们就能最大限度地吸取营养了。

3000万年中,埃迪卡拉统治了整个海洋。可是接下来,进化发生了突变,地球上的生命彻底改变了,埃迪卡拉消失了。据认为是被具备了新型器官的新的动物吃掉了,这些动物有着全新的进食方式。地球生命史上第一次有了内脏。

埃迪卡拉是通过皮肤吸收食物的原始生物。与此同时,另一类动物也进化出了一种全然不同的密室方式:内脏。

最早的内脏或许和现在水母的内脏差不多。水母没有嘴、没有肛门,一根腔肠从一头通到另一头,其实就是个口袋。它可以把食物放进口袋,然后再从另一端喷出去。这套消化系统对水母非常管用。(图2)

海洋中的生命变得复杂多了。埃迪卡拉被进化史上突然出现的一群新的生物所取代,这个进化事件就是寒武纪生物大爆发。

这一时期代表了一次质变,很可能是地球生物进化史上最重要的事件。

随着食肉动物的出现,地球上的生命展开了一场竞赛。有的生物开始出现复杂的牙齿,还有撕咬、咀嚼和进食的手段;另一些生物也开始进化出保护自己的手段。

突然出现的生物形态和形状,带来了全新的消化系统设计。

这些寒武纪生物在许多方面与埃迪卡拉动物群不同,最重要的特点之一是活动能力,它们能够以不同的方式活动。

主动捕猎需要一套效率更高的内脏,需要一种从身体一端吃进食物,从另一端排出废物的方式。

动物进化出的是两端各有一个孔的腔肠,这和人类的内脏已基本相似。可是仅靠这根腔肠还不足以消化新的食物链上铠甲齐全的猎物。掠食动物需要其它的帮助,这种帮助来自于一些非常微小,肉眼无法看见的东西。

这种古老的消化系统的惊人秘密,存在于海面下1.6公里处。

科学家操作一架无人潜艇在太平洋的深海中发现了一具鲸鱼尸体,它骨骼上覆盖着羽毛状的东西。(图3)

这些羽片状的东西其实是一种新的奇怪的海洋蠕虫。一种没有嘴,也没有牙的动物,进化后以鲸鱼骨为食。

为了解这种古怪的消化系统,样本被送到了斯克里普斯海洋研究所的格雷格·劳斯手中。

他解剖了这些骨骼来获得蠕虫,仔细地进行研究,设法了解它们的生理结构。但根本找不到任何内脏。它们没有嘴,没有消化系统,让人非常奇怪,这些蠕虫是如何吸取营养的?如何吃坚硬的骨骼的呢?

剖开鲸鱼骨骼的根部,劳斯发现里面充满细菌。这提供了一个重要线索,蠕虫本身并不吃鲸鱼的骨头,而是逐渐钻进骨头里。

这些虫子为细菌创造了进入鲸鱼骨头的条件,它们钻进骨头里,把细菌带到骨头里面。

劳斯还调查它们是如何钻进去的,他认为,有一点是明确的,细菌正在消化鲸鱼骨

头里的蛋白质和脂肪。

这些细菌和蠕虫建立了共生关系,蠕虫钻开鲸骨,而蠕虫则吃这些细菌。所以它们不需要内脏,它们是通过从鲸鱼骨头上生长的细菌得到营养。

很久以前,细菌是地球上最早的生命,它们进化出了酶:分解各种有机物质。最早的动物出现时,细菌就在它们的内脏里生活了。作为回报,细菌为动物分解它们无法消化的食物。

这种共生关系究竟是如何进化出来的?它似乎在进化史上曾出现过多次。当动物无法直接吸取某种营养物质时就会出现。

5亿多年后,细菌仍是几乎所有动物消化系统的关键。每个人内脏里有大约10万亿个细菌,它们帮我们从食物中分离营养物质。

细菌对于动物王国中一个最成功的分支来说是非常重要的,它们是脊椎动物,人类的祖先,最早的鱼类进化成了快速游动的掠食动物。

在有了强大的眼睛和其它有助于捕猎的感官后,鱼也进化出了更为复杂的内脏。不再是盲袋或腔肠,而是有了最早的胃。胃出现后,食物就可以按一定的顺序通过不同的消化道,更加有效地分解进食,从中提取营养物质。

这一强大的消化功能为体型更大、更复杂的动物出现打下了基础,而新的食物种类提供了新的进化机会。

3.75亿年前,一类鱼发现了一个全新的世界:陆地。新的机遇展现了。

一些陆生脊椎动物进化出能吃树叶的内脏,而另一些则能够吃昆虫。反过来,它们又会被其它动物吃掉。

最终,陆地上最大的内脏通过进化,为生物史上最成功的一类动物提供能源。它们就是恐龙。

近200年来,古生物学家一直在挖掘恐龙骨骼化石。他们对化石的研究提供了很多有关恐龙外形和行为模式的信息。

可是对于它们的生物学特点却所知不多,它们吃什么?如何消化?如何为自己提供能量?这始终是个谜。

内脏器官,比如胃、肠,通常是不会形成化石的。这些器官里是没有钙化部分的。所以,要了解恐龙的消化系统,只能通过别的渠道。

对包括马特·拉曼纳在内的现代古生物学家来说,了解恐龙的消化系统,对于了解它们的生物学特点是至关重要的。与所有成功的科学研究一样,这也需要有切实的证据支持。

鹦鹉嘴龙标本的胸腔里找到的只有成堆的石头。一开始不明白为什么恐龙的胃里会有石头,后来研究了恐龙流传到现在的后代鸟类之后才搞清楚。(图4)

在养鸡场,我们给小鸡喂的谷物质地挺硬,要正常消化,鸡需要想办法把它分解成细微的颗粒。可它们没有牙,所以做不到。在进化史上,鸟类很早就失去了牙齿。可是这些鸡却用另一种办法解决了这个问题,它们的办法叫作“胃石”。(图5)

胃石是鸟类故意和食物一起吞下的小石头。石头留在它们的嗉囊里,起到牙齿一样的作用。

食物进入满是胃石的嗉囊,嗉囊会强有力地收缩,使胃石压迫谷物颗粒,将谷物研磨成细微颗粒,使鸟类的消化液能够更有效地发挥作用。

鸡的胃石和嗉囊让我们对恐龙了解了什么呢?

古生物学家发现,有几类恐龙的内脏里都有大量胃石。他们认定,这些种类的恐龙的消化系统与鸟类类似。它们很可能有强有力的嗉囊,能把食物研磨成细微颗粒。

胃石化石与空心骨、羽毛,还有另外一些特征,证明一些恐龙有着许多类似鸟类的特点。

这是否意味着恐龙也和鸟类一样,能量消耗很大呢?这是温血动物决定性的特点。

古生物学家在过去几年间对恐龙的研究有了很多突破,可还是有几个问题没弄清楚,其中之一就是恐龙的新陈代谢。换句话说,恐龙是温血动物还是冷血动物?即便是像暴龙这样人们很熟悉的食肉恐龙我们也不确定。

为了回答这个基本问题,古生物学家一直在拿暴龙和它现在的近亲进行比较。

在进化图谱上,暴龙位于鳄鱼和鸟类之间。

在许多专家看来,它们不那么像鸟类,更像冷血的鳄鱼。短吻鳄能够长时间不进食,进食的时候食量惊人,能吞下极大的肉和骨头,留在消化道里,等待消化酶一点点分解。

一些有关暴龙消化系统的惊人证据提供了新的线索,让我们了解了暴龙到底是什么样子。

科罗拉多大学古生物学家凯伦·秦,是恐龙消化系统方面的专家。她研究的不是恐龙骨骼化石,而是它们留下的另一些东西。

我们看到的好像是一堆巨大的不规则石头,可这是非常特别的石头,它们其实是化石化的恐龙粪便。粪便化石在学术上叫“粪化石”,它们能提供大量有关古生物的信息。

恐龙的粪化石非常罕见,可是每块粪化石都能提供重要的线索,揭示恐龙消化系统的信息。(图6)

最近发现的两大块暴龙粪化石让凯伦取得了一些惊人的发现。(图7)

为了解暴龙吃什么,她分析了一块化石化的粪便。

证据表明,这是一头庞大的、植食性的三角龙的骸骨。不过相对于了解暴龙吃的是什么,更关键的在于它是如何吃的。

样本中有相当多的骨头,说明暴龙吃的时候不太在乎骨头,不避免牙齿和骨头接触,不管什么都是直接咬碎。

初看之下,粪化石的骨头证明暴龙有着冷血动物的进食习惯。

凯伦·秦还得到一个惊人的发现,粪化石中大块的骨头碎片都有被腐蚀的痕迹,而且是被酸腐蚀的,这和现在的鳄鱼是一样的。暴龙能够消化食入的动物骨骼,从中摄取营养成分,这是大多数动物都做不到的。

在第二块暴龙粪化石里,她却发现了另一个线索。

一些看起来比较软的细胞是化石化的肌肉细胞。

粪化石中化石化的肌肉组织表明,这些食物通过暴龙内脏的速度比较快,换句话说,暴龙并不能像鳄鱼那样让食物在内脏中停留很长时间。

这个证据和此前得出的理论是相矛盾的,这说明暴龙或许有着“快速”的消化道,这一点更像温血的鸟类和哺乳动物,而不像爬行动物。

快速消化同时也意味着快速新陈代谢,这要求生物随时提供能源。

这头暴龙要频繁地吃下大量的肉食和骨骼,这一点不像鳄鱼。鳄鱼可以几个月不吃东西。暴龙觅食的频率要高得多。

毫无疑问,暴龙的凶残和鳄鱼很像,可是越来越多的证据表明,它需要像鸟类和哺乳动物那样频繁进食。

凯伦·秦认为,恐龙新陈代谢速度比现在的爬行动物快得多,也就是说它们至少在一定程度上是温血动物。

我们发现,它们的习性不像鳄鱼,也不像哺乳动物,它们有着自己独特的生理特点。

暴龙的消化系统似乎同时拥有爬行动物和哺乳动物的特点,它们的内脏在进化后帮助它们成了食物链最顶端的存在。

然而,让暴龙取得成功的内脏或许是导致它最终灭绝的原因。

6500万年前,一颗巨大的小行星撞击地球。在随后的大灾难中,暴龙和其它体型庞大的恐龙面临着严重的食物短缺。

在小行星撞击地球的时候,暴龙食谱上的所有动物都开始消失,暴龙陷入了困境。它体型庞大,需要肉食,它实在无法把自己的基因传递下去了。

大型恐龙都灭绝了。但并不是所有动物都在这场灾难中消亡了。小型哺乳动物可

以钻入地下避难,等它们再出来时,猎捕它们的恐龙都死了。不过活下来的并不只有它们,另一种生物也进化出了同样的生存策略,它们有着非常极端的觅食习惯,在哺乳动物繁盛的初期,一类蜥蜴进化出了利用充足食物来源的能力。

它们不再追逐猎物,腿也退化了,开始在地上游动。

它们是冷血动物,行动缓慢,但也形成了一种新的极端的捕猎方式。

蛇不会咀嚼食物,它的牙和颌骨都不适合咀嚼。蛇会把猎物整个吞下去。它们为什么会进化出如此极端的觅食策略?

在阿拉巴马州立大学,斯蒂芬·希科正在研究缅甸巨蟒的进化。

这些蛇有个令人惊叹的特点,它们能够吞下身体直径比它们的头粗好几倍的猎物。有些蛇能吞下整只动物,因为它们的消化道几乎占据了身体长度的90%。不过在吞咽之后,艰难的工作才刚开始。蛇如何把一只老鼠变成能量?去兽医办公室或许能找到答案。

从侧面给它打一针。量化分析蛇的肚子里食物分解程度的最佳方式,是给蛇拍X光片。

外表看,蛇显得很平静,可体内强大的引擎已在高速运转。

在它体内,我们看不到的是,酸的分泌量极大地提高了。 这时,它的胃产生了大量的盐酸和胃蛋白酶,食物开始分解了。

这一切完全隐藏在蛇的表象之下。老鼠会继续向胃底移动,酸液和酶会让它不断分解,直到什么都不剩。

几天之后,整只老鼠被消化掉了。大部分被转化成了能量,让这条蛇在很长时间里不必再进食。(图8)

我们称之为“蟒”的大型蛇类,是地球上最疯狂的饕餮客。这些动物可能连续几个星期、甚至几个月一动不动地呆在一个地方。有报道说,一些蛇甚至能连续一年多不进食。

巨蟒吞食的猎物,通常重量是它自身体重的四分之一以上。相当于一个体重180磅的人吃掉45磅重的牛排。

即便这些蛇能够消化掉如此大量的食物,它们怎么能长时间不吃东西还活着呢?

希科尔说,我们发现它的内脏有个非常奇特的开关功能,在它们禁食期间,好几个器官都处于休眠状态。

巨蟒在两次进食之间要节省宝贵的能量。而当机会出现时,它们的胃又会重新启动。

为了了解蛇是如何做到这一点的,希科尔把一小块巨蟒的小肠放大15000倍进行观察。在显微镜下,可以看到蛇的肠绒毛,几乎所有动物都靠这种手指状的凸起来吸收营养。

包括人类在内的哺乳动物,无论是进食还是禁食,肠绒毛是不会变化的,长度和位置都是一样的。

希科尔发现,蛇的肠绒毛在进化之后不同于其它动物。禁食的时候,它的肠绒毛短而普通,可是在进食后,肠绒毛开始不断地变长。在6个小时里,它的肠绒毛长度增加了一倍。在进食后的一天时间里,肠绒毛的长度增加6到7倍,这在其它任何动物身上都是看不到的。

随着肠绒毛增长,小肠的表面积成倍地增长。已经被消化酶和胃酸变成液体的老鼠,则完全被蛇吸收掉了。经过7天,消化过程完成了,肠绒毛又缩了回去。

它的肠道怎么能自主开关?为什么会有这样的特征?

当猎物的速度比掠食者快的时候,保存好能量对于大蟒来说是事关生死存亡的。

这是个非常不错的进化机制,让它们借助储存的能量维持新陈代谢,可以在更长的时间里不进食,是个很好的觅食、消化、生存策略。

蛇并不是唯一一种进化出极端的内脏来应对难以消化的食物的动物。

2000万年前,在中新世,全球气温降低,导致生存环境发生剧烈变化。

大片的森林突然变成了草原。动物们曾非常适应树上的生活,突然间,自然选择又有了新的规则。

对以树叶和丛林植物为食的动物来说,它们原有的食物来源越来越少了。在许多地方,丛林被无边无际的草原取代。食草也带来很严重的问题,草原上几乎无法躲避掠食动物的猎杀。更为重要的是,草几乎无法消化。

草原上有大量的草,可它很难消化,草里几乎没有多少营养物质。它所拥有的营养物质,是无法消化的纤维素。

可是一些哺乳动物却进化出了一种解决办法。包括牛在内的“反刍动物”,就是以草为食的动物。它们的消化系统是如何适应的呢?我们可以从一种非常特别的牛身上找到答案。

罗斯是美国康奈尔大学里的一头牛,是头专供研究的牛。与其它牛一样,它有个非常神奇的胃。罗斯为我们提供了一个窗口,能看到它的胃。它的身体侧面通过手术切开了一个洞。我们拔掉上面的塞子,就能看到一个很大的胃,瘤胃。(图9)

这头牛在无痛手术后,科学家就能够窥见地球上最复杂的消化系统了。

它的第一个胃囊,是被称为“瘤胃”的巨大发酵罐,能容纳113公斤潮湿的草。它每天还会产生200升的唾液。所以,这是个非常大的胃囊。

经过80小时的消化,食草会通过四个胃囊,逐渐分解纤维素,从中提取出能源,吸收水分。

在所有反刍动物中,这一漫长的消化过程是从一个独特行为开始的,就是“咀嚼反刍”。它吃完之后开始反刍,把吃下去的食物再反刍上来,回到喉咙上方,它会吞下食物挤出水份,然后再把食物重新咀嚼一遍。为什么进食会这么复杂?

或许是为了躲避天敌,在进食的同时避免自己被吃掉。

它们是被猎杀的物种,如果能快速进食,然后到开阔而安全的地方慢慢咀嚼食物,这些物种中的个体就能有更大的生存机会。

要消化食草,反刍动物需要的不止是庞大而复杂的消化道。它们也利用了地球上最早的消化辅助手段,许多物种体内都携带着这些微小的生物。

微生物从动物开始进化起,一直生活在它们体内。牛却把这种寄生提到了一个新的高度。它的内脏是微生物的巨大栖息地。里面有超过200种微生物在忙碌着,其中有上万亿细菌负责分解食草,把纤维素变成糖和能量。在瘤胃里,原生物的个头要比细菌大许多,它们通过吞噬细菌保持生态平衡。这里甚至有能够分解细菌无法处理的纤维质的真菌。

牛是不能消化草的。牛能够消化草唯一的原因在于它肚子里有一大群细菌会帮牛把草分解掉。牛和微生物合作,还进化出了四个胃囊。牛和它们的近亲会统治整个草原,奔腾起来蹄声如雷的草食动物。这又反过来帮助了另一群动物,那些自己不吃草,以捕食草食动物为生的掠食动物。

新的肉食性哺乳动物也进化出来了。有些长出了爪子和牙;有的则具备了很高的捕猎智慧。

是什么使我们人类从动物中脱颖而出?在很长一段时间里,答案似乎在我们进化出了超大的大脑。可是新的证据表明,原因还不止于此,我们的内脏也是原因之一。

哈瓦德大学人类学家理查德·朗汉一生都在研究黑猩猩、类人猿,还有人类的起源。大约2百万年前,人类的祖先还是动物中的成员,我们相信那批动物发展成了现在的类人猿,它们就是进化史上的南猿。

南猿身材矮小,有和类人猿相似的大脑、颌骨和牙齿、还有内脏。在一段相对较短的时间里,这个物种进化出了另一个物种,后来成了我们人类。这些新的原始人是

我们的直系祖先。

据认为,在数十万年时间里,也就是进化史上短暂的一瞬间,这些新物种的脑容量增长到古猿脑容量的两倍,而它们的牙齿和胃则缩小了。牙齿很大,脑容量较小的类人猿,却变成了牙齿很小,脑容量很大的人类,这是怎么回事?

朗汉相信,所有这些变化都有一个相同的原因:食物的极大变化。食物和脑容量之间的关系是怎样的?这是个很有意思的问题。身体内的每个器官都需要自己的那部分能量,消化道和大脑的要求尤其高。如果一个物种能进化出较小的内脏,也许就能进化出更大的大脑。

我们的祖先是如何从庞大的内脏向较小的内脏转化的?通常认为这些古人类学会了两件事。他们学会了如何得到更多的肉和用工具切割肉。他们用工具切肉、砸肉,弄出有点儿像肉糜的东西,这样吃起来要容易得多。而这原先是由消化系统所做的工作。使用工具对事物进行预处理帮助我们的祖先能够以较小的内脏生存下来。但朗汉认为,一个更为强大的技术改变了人类的消化系统。

很容易想见,一旦学会了用火,他们就开始把食物放在火上烤,他们很快发现,烤过的食物更好吃。

在朗汉看来,烹饪的出现改变了一切,它让我们能以更少的付出从食物中得到更多的能量。

朗汉说,我们可以把这看作生命史上,同时也是所有灵长类动物的历史上,食物品质最大的改进之一。这种新技术——烹饪,是如何让我们得到更大的脑子的?为了检验他的理论,朗汉与另一位动物消化系统方面的专家史蒂芬·希科尔合作。设计了一个简单的实验,看烹煮过的食物和生食相比,得到的能量值有什么不同。

实验的对象是两条饥饿的缅甸巨蟒,无论是生肉还是熟肉,它们消化起来都没有任何问题。两条蛇分别吃掉了相同大小的两块肉:一块生;一块熟,然后被放在容器里。

气流进出装蛇的容器,蛇呼出的二氧化碳多少会显示每条蛇在消化食物时的困难程度。

专家发现,相对于生肉,熟牛排消化起来付出的体力减少了约12.5个百分点。这就支持了一个理论,熟食会降低消化成本。

朗汉提出,对早期的人类来说,食用熟肉的好处是极大的。人类一旦开始烹饪,我们就能从食物中得到大概额外30%的热量。随着时间推移,进化更倾向于有着较小内脏的人类个体了。

他们曾经用于肠道的部分实物能量,转而被用在了大脑上。因此食物是进化成功的原料,这样就可以生更多的孩子、可以提高身体素质、更好地抵御疾病,人就能活得更长了。

从动物王国出现的那一刻开始,从简单的食袋到有胃部的食道,再到能够维持河马生命,或是让哺乳动物吃草的消化系统,内脏是生物进化的核心环节。现在,一种新的消化食物的方式使一种新的高级动物能够在地球上行走,这就是我们人类。

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