天天看點

脊椎動物崛起,目标征服陸地——泥盆紀

作者:中科院地質地球所

過去

總是有一種天生的好奇心和敬畏感

為了生活

人類仍有許多未知數需要探索

知路基重建後,時間來到了泥盆時代。泥盆地時代是一個神奇的時代,在6000萬年的時間裡,生物世界發生了翻天覆地的變化。在動物世界殘酷的軍備競賽中,"争天适者生存"的生存規律得到了真正的诠釋。被稱為"魚的時代"的脊髓動物,早在寒武紀時期出生,經過1億多年的壓迫,終于崛起,從此脊椎動物一直占據着生物霸主的地位。有一段時間,海洋中已經被各種各樣的魚類所占據,其中盾魚還産生了非常強大的海霸"敦氏魚",在各種生物的強大咬合力的壓力下一直在尋找解決方案,有的動物遊得越來越快,有的長出更硬的刺,甚至有的爬上岸邊, 遊到淡水中,而這些被稱為"魚石"的生物的出現,成為地球曆史上的一個重大轉折點,人類祖先第一次觸碰到溫暖的土地......泥盆時代上演了一幕精彩紛呈的戲劇,魚兒沉睡,十年磨劍,菊石另一條路,三明治為了生存,魚石匍匐船,踏上了不回家的路......所有的演繹都是在創造一個更豐富的地球背後的生态環境,讓我們從細節開始,來看看泥盆時代地球的演變。

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泥盆地時期生态修複圖

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魚和石蛾上岸

泥盆紀(符号D),古人類時期的第四個時期,從41.92年到3.589億年前,持續了6000萬年,以筆石Uncinatograptus uniformis的首次出現作為起始符号。在1830年之前,學術界認為石炭系統高于家庭,但地層的不團結造成了學術争議(但地層不整合的事實挑戰了這一觀點)。最終,在1839年,英國地質學家Moyson和Sedgwick提出可以在多年生植物和木炭系統之間重新劃分地層,并将其命名為英格蘭德文郡的"泥盆紀"。後來,日本學者在翻譯"泥盆紀"時采用了日語字元發音的音譯名稱"泥盆",而泥盆的土地、淡水開發相對應,是以"泥盆"這個稱号也比較合适,并一直沿用到今天。

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德文郡, 英格蘭

泥盆系統從下到上可分為三個系統,中間泥盆和上泥盆,包括7級,即洛赫科夫、布拉格、埃姆斯、埃菲爾鐵塔、吉維特、弗拉和法爾門。

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泥盆時代國際計時

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早期泥盆地世界地理,勞倫大陸與博羅大陸相連

"歐美大陸"成立

逐漸改善地球環境

直到泥盆地時代,地球一直處于溫暖的環境中,CO2處于高水準。但自從直魯時代的植物開始登陸以來,植物似乎已經來到了天堂,早期的蕨類植物裸蕨已經經曆了突飛猛進的發展。泥盆中後期進化出石松、盜木賊、真蕨類植物,各種植被覆寫通過光合作用逐漸改變地球環境。在整個泥盆時期,植物繁殖将CO2水準降低到前十分之一,氧氣濃度越來越高,接近現代水準。

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早期的泥盆植物以裸蕨為主

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泥盆森林

而CO2含量的降低,使地球溫度逐漸下降,出現了一些氣候降溫事件,環境逐漸從以前的"溫室星球"向"冰室星球"過渡,泥盆是見證這一轉變的關鍵時期。植物的早期登陸和數千萬年的環境轉變為它們後面的脊椎動物的着陸鋪平了道路。

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由泥盆石松和真蛾形成的森林

數十億年的睡眠,魚類的崛起

回到海洋中,我們的人類祖先,最原始的脊椎動物,早在寒武紀就出現了,但它們始終處于動物社會的底層,數億年的鼾鼾和沉默的進化,書寫了一段凄美的生物進化史。

寒武紀脊髓動物昆明魚、海口魚被認為是最早的脊椎動物,給大頭魚這些"原始魚"在逃生的道路上,在進化過程中不斷在身上加裝硬甲,變成疲憊的铠甲。這些裝甲魚沒有真正的嘴巴,屬于無颚魚,它們隻能以熏小動物為生,吃低檔食物,也避免了角石和蟋蟀的攻擊。這就是我們祖先在奧套和智宇時期的情況。

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志留吉的鲭魚(楊定華畫)

到知琉時代末期,情況發生了微妙的變化。被歸類為原始全颚魚的脊椎動物奇迹般地長出了下颚(即"下颚"),雖然不能自由咬人,但這是生物進化史上的新飛躍。颚魚的存在使它們具有抵抗力。食物營養豐富後,魚類第一次開始快速進化,在泥盆初期,颚魚進化出四大類,包括盾魚、軟骨魚、棘輪魚、硬骨魚和硬骨魚,包括輻鳍魚和肉鳍魚。它的下颚結構也更加完善,可以輕松咬住闆腳和三葉蟲的地殼,在泥盆裡躺了億年的魚終于站了起來,昔日的獵人踩在腳上,從此成為主宰海, 奠定了脊椎動物在生物界至高無上的地位。

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初次全颚魚恢複圖,下颚分化開始顯現

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在雲南省曲靖發現的夢幻鬼魚是第一條有下颚的硬骨魚

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闆腳上的盾皮魚獵物

在海洋輻射中迅速擴散的大魚家族,正在成為海洋中最常見的生物,是以泥盆時代被稱為"魚的時代"。許多魚類一直延續到今天,盾魚和棘輪四類已經滅絕,軟骨魚進化成今天的鲨魚、鲭魚等。硬骨魚中的輻條鳍魚現在是最常見的魚類,硬骨魚中的肉鳍魚是螢幕前的魚類(不是),爬上岸并進化成早期的兩栖動物,這反過來又孕育了絕大多數脊椎動物。一些沒有上岸的肉鳍魚仍然儲存下來,例如今天淡水中的肺魚和深海幼蟲。現在連無颚魚也有很多儲存完好的物種,如七條鳗魚、盲鳗等。

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魚類進化地圖(圖像網絡,Bi Xupeng)

盾魚

在中志出現後仍活着,在泥盆時期末期滅絕。盾魚是最原始的下颚魚,頭部和胸部覆寫着骨甲,下颚是從支撐頭部兩側鰓的拱形骨頭進化而來的。它可能是第一個受精和胚胎的生物體。

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屍體是第一條盾魚

針鼹魚

出現于芸晚期留存,二疊期滅絕。棘輪有均勻的鳍,除了尾鳍外,所有鳍前面都有一根刺。身體覆寫着具有特殊皮膚形狀的緻密鱗片,但不是瓷磚狀排列。它很小,但身體很硬。

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棘輪的特點是棘輪

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棘輪化石

軟骨魚

出現于日留後期,由棘輪魚的進化而來。活的軟骨魚以鲨魚為代表,除牙齒外,整個身體由軟骨組成,軟骨是屏蔽的或無鱗的。體内受精,卵子,卵子或出生。

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鲨魚以軟骨魚為代表,鲨魚隻有牙齒可以作為化石儲存下來。

硬骨魚

出現于辣椒晚期,分為輻條鳍魚和肉鳍魚。今天,絕大多數魚都是輻條鳍魚,其特點是輻射狀鳍,而肉鳍魚現在隻是肺魚和空腔棘輪魚,其特點是以肌肉為基礎的肉鳍,肺魚仍然保留着四英尺在水中的特點。

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現代魚類大多是輻條鳍魚

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鯉魚是一種逃到深海的肉鳍魚

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肺魚仍然在現代淡水中的肉鳍上移動

海底粉碎機"鄧氏魚"

海洋生物的進化是一個漫長而令人驚訝的過程,就像一個充滿獵人和獵物的"黑暗森林",它們可能在一百萬年内成為獵物。雖然長期被壓制的闆條蟋蟀淪為亞囚犯,但進化和競争并沒有結束,魚體内似乎有更大的危險。

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盾魚捕食鲭魚

魚的進化很早就開始分化,曾經一起對抗外敵的隊友們也很快變得不那麼簡單,四組魚悄悄地在進行自己的軍備競賽,牙齒更鋒利,速度更快,鱗片更強,視野更敏銳......大戰即将爆發。終于在泥盆後期,一類被稱為"盾魚"的可怕魚出現在盾牌上,前面一般身長卻是幾米的魚,長度高達8.79米的鄧氏魚像一個龐然大物,沉重的裝甲包裹着鋒利的口骨闆和強壯的下颚,像一輛海底戰車。據計算,鄧小平的魚咬力可以超過6000N(即612公斤),雖然遠非現代鳄魚和鲨魚的咬合力很高,但當時魚剛出現在泥盆後不久的下颚,這種強大的咬合力就已經頂了,可以很容易地折斷任何裝甲魚和菊花殼。

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從天而降的海霸——鄧小平的魚

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鄧小平的魚駭人聽聞的頭骨

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鄧氏魚咬模型

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鄧氏魚全身恢複地圖

鄧魚也有弱點,這些魚沒有咀嚼功能,是以隻能把大腦送到嘴裡,等消化後再吐出骨頭,但是如果吞下棘輪魚,比如魚到處都是硬魚蜇人,很有可能在堵塞中延遲導緻死亡。

此外,同樣屬于盾皮魚的短胸魚的輪廓也出現了叫魚和魚的魚,但相比小鄧氏魚,嘴也小,而且競争力不太強,也可能成為鄧小平魚嘴中的"叼餃子"。

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鄧氏魚與人體長度的比較

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男中音也是盾魚的一種

鄧小平的魚雖然在海洋霸權上,但卻是短暫的。在泥盆世界後期開始建立的"盾魚王朝"随着泥盆時代末期生物的大規模滅絕而衰落,一代海洋霸主從地球上消失了。但軟骨魚也長出強壯的下颚,在之前的比賽中似乎取得了微妙的平衡,它們是鲨魚的祖先,在盾魚離開舞台後多次占據海洋霸主的地位。

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泥盆中的胸脊鲨也是一種代表性的生物,其特點是頂部有凸起

魚和石蛾"強行爬上梁山",被迫征服了這片土地

在泥盆後期,生命進化進入高潮,不同的生物瘋狂地尋找生存之道。當鄧小平的魚從天而降時,其他生物似乎被迫走了另一條路,但屬于硬骨魚的肉鳍魚卻選擇了不同的道路。

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主宰淡水的肉翅魚

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Titalik魚是從真正的棕榈鳍魚到跷跷闆魚的過渡物種

基于肌肉的鳍在進化道路上并不成功,沉重的鳍和矛形尾巴在水中不會快速擺動,使它們隻能在海底的淺灘上捕獵。較慢的運作速度和美味的肉使它們在盾魚的嘴裡變胖,成為屠宰的獵物。但獵物并不總是願意成為獵物,有鳍魚的身體結構不适合在海洋中競争,但出乎意料地适合陸地上的淡水環境。當時,由于日留時代登陸植物表面的轉變,形成了河流、湖泊等淡水水域,日留時代登陸的節肢動物也在陸地上繁殖,但隻有現代昆蟲的大小,一些肉翅魚選擇來到淡水中,吃昆蟲和植物。奇迹般地,肉鳍的肉鳍使它們更容易在水坑之間移動,或者在旱季及時離開幹燥的水坑,是以這些肉鳍魚開始在淡水水域定居,為動物登陸打開了帷幕。

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肉翅魚的比較

着陸的一個重要條件是呼吸!皮膚呼吸效率太低,肉鳍魚早期肺部發育,可以自由呼吸氧氣。奇迹般地,硬骨魚在胚胎階段發育出成熟的肺,肉鳍魚将其肺向下延伸到陸地,而輻條鳍魚的肺退化到水中并成為目前的魚。是以,在漫長的進化過程中,這些選擇性的肉鳍魚逐漸進化成真正的棕榈鳍,發達的肉鳍可以移動。後來,這些真正的棕榈鳍在前鳍和後鳍上更加發達,并開始分化為可以兩栖生活的四足動物。

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泥盆地時代晚期的發球台登陸标志着一個新的開始

最具代表性的是魚和石頭,它們有七趾四條腿,寬肋骨,大肩膀和可扭曲的脖子,雖然後肢的結構表明它們不适合在陸地上行走,但至少證明它們浮出水面并移向陸地,代表脊椎動物開始脫離水面。是以,人類的祖先不是自願去陸地的,而是被生命所逼迫,然後被迫征服這片土地。

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石質開始從水中出來

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英國廣播公司紀錄片中的菲什斯通

還值得一提的是,在格陵蘭發現的針鼹具有類似的結構,前肢有八個腳趾,大尾巴表明它們也是通路陸地的捕食者,具有類似于現代肺魚的生态習性。

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針鼹恢複圖

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魚石(頂部)與針鼹(底部)骨進行比較

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手掌和腳趾的演變

(棘皮雞是鼠尾草松雞,魚麒麟是魚石,圖勒佩頓是失齒))

新路線的菊花和頭足類動物

在泥盆時代的海洋中,也暗生了另一種神奇的生物,他們的前身是前海英雄石。由于長殼的轉向不友善,角石失去了它的霸主地位,逐漸退出了曆史舞台,但是有一部分極石的目的是基石,比如上帝幫助發現了一種新的生存方式,他們選擇把長殼彎起來,這就是後來的菊石。

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奧陶智姬霸主的基石

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頭足類動物在泥盆中分化

極石分為菊花子組和氩形子組

(資料來源:攀岩的青蛙)

将自己放在盤子上的菊花發現動作更友善,甚至可以自由漂浮,很好地适應了當時多變的生活環境。雖然菊花的硬殼對鄧小平魚的血洗沒有抵抗力,但至少它們在生态位中占有一席之地。

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泥鍋時代就像一塊古老的菊石

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泥盆中的棱柱石

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奇怪的頭足類動物的進化,包括菊花和碼頭

有人可能會問,為什麼自鹦鹉螺号出現在寒武紀時代以來,菊花不會在1億年前。其實,菊花的内體積比鹦鹉螺複雜得多,菊花闆圈越來越多,而比較可以發現,菊花和鹦鹉螺在菊花螺旋中心最大的差別是有單獨的胎殼,表面菊花和鹦鹉螺在進化史上沒有"抄襲現象"。當然,在縫線、隔闆等方面,兩者有很大的不同。

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菊石剖面(非泥盆時代)

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現代鹦鹉螺殼型材

另一組頭足,和菊花一樣,選擇了另一條屬于亞崗的路,包括鱿魚和章魚。他們放棄了貝殼,有的選擇把貝殼包在身上,有的幹脆放棄了貝殼,都隻是為了跑得更快,躲得更深。這些敢死隊,成功活到了最後,甚至現代依然在海底占據着強大的陣地,比如神秘的王烏賊。他們已經進化到學習更多神奇的功能,如變色,噴墨等。蕨類植物和鹦鹉螺物種幸存至今,而它們起源的菊花在地球上最後一次大規模滅絕期間完全消失了。

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現代煙灰,綽号"深海的小飛象"

對海洋的毀滅性打擊,第二次生物滅絕

泥盆地時代的生物都是美麗的,海洋和陸地充滿了充滿活力的場景:床闆珊瑚,分層蠕蟲,四發珊瑚和其他覆寫海底的明亮造礁生物;一切都是全新的,仿佛有一個光明的未來,進化論将魚推到了生物的頂端,甚至開始向陸地邁進。然而,好的背後隐藏着危機,一場災難正在悄然降臨。

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泥盆地的大規模滅絕,也被稱為"F-F-F"事件,對海洋生物是毀滅性的打擊。對于這次大規模滅絕的原因,學者們提出了各種可能性,但其中許多可能性實際上是同時發生的。

首先,植物為動物建構了良好的生态環境,但植物的轉變是無止境的,森林不受控制地擴張,大陸溶解和坍塌使磷進入水源,大量釋放的氧氣與閃電結合并沉積大量氮肥進入水源肥料水肥富含有機養分進入海洋,促進藻類的爆發, 大量的藻類染料使海洋變綠、變紅,導緻大量海洋生物死亡,生物殘骸的分解和海洋環境的惡化加劇,缺氧、腐爛已成為海洋中的常态。這也是肉翅魚爬出海洋的重要原因。但災難遠不止于此,随着CO2的大量減少削弱了溫室效應,地球迎來了一個大冰河時代,極地冰川迅速擴張,使大部分海洋變冷,珊瑚等造礁生物隕落,然後依賴珊瑚的動物難以支撐。此時剛剛登上統治地位後不久,鄧小平的魚,面對衣物匮乏、食物匮乏的生活隻有無盡的絕望,一代霸主在饑寒中走向了最後。

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藻類爆發導緻海洋缺氧

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魚類和菊花在F-F事件中大量死亡

然而,泥盆地時代的滅絕災難并不局限于此,一場毀滅性的流星事件對此時的生态環境造成了又一次重大打擊。在法門時期,這是自寒武紀爆發以來外星物體首次大規模通路地球。

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一些學者認為,瑞士的Siljan礦坑是這一震驚事件的産物(McGhee,1996)

與此同時,有隕石坑襲擊了許多地方。

最終,大滅絕在流星事件後結束,其中82%的生物被殺死,盾魚,頭甲蟲,大多數三葉蟲和大多數筆石在事件中消失,海洋生物被摧毀。幸運的是,已經适應陸地生活的四肢癱瘓者和節肢動物遭受的影響較小,并且幸存下來,接下來的故事更長。

脊椎動物崛起,目标征服陸地——泥盆紀
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鄧小平的一代霸王在泥盆末期滅絕了

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陸地上的四條腿的動物很幸運地在大滅絕中幸存下來。

曆史的車輪還在繼續,生物進化還有很長的路要走。泥盆時期之後,兩栖動物的出現似乎讓我們看到了光明的未來,但在下一個木炭時代,面對長于米的昆蟲,它們會遇到什麼樣的危險環境?

請繼續關注下一階段,木炭時代:兩栖動物,巨型昆蟲,爬行動物 - 森林中的大決鬥?

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資源:

維基百科

泥盆時代:向陸地進軍 - 博物館

克蘇魯人5:誰教光着胸膛 - 攀岩援助的井蛙

肉鳍魚:目标之地 - 鬼谷說

[5] 麥吉GR Jr. 1996.泥盆紀晚期的大規模滅絕。紐約:哥倫比亞大學出版社。

翟文坤、馬學平、徐洪和等中國泥盆時代綜合形成和時間架構。中國科學(地球科學), 2019, 049(001): 115-138.

編輯:楊湘英

美國編輯:王玉宇

校對:周興,劉琦縣

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