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生命进化的跃升：40亿年生命史上10个决定性突变 [:1700248856]
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生命进化的跃升：40亿年生命史上10个决定性突变 第六章 运动——力量与荣耀
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我们太熟悉运动了，以至于忽视了运动的重要性。是运动使我们能在特定时间出现在特定地点，这种生活给了动物目的，也让开花植物有了意义。而使运动成为可能的是组成肌肉的各种蛋白，谁能想到从这些蛋白质中还能看出我们和苍蝇的亲缘关系呢？
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“自然的獠牙与利爪，沾满了红色的血液”这句话，恐怕是英文里面描述达尔文时引用次数最多的一句了。尽管自然进化未必认同这句话，但是它却非常精准地描绘了一般人对自然进化的看法。原句出自英国诗人丁尼生1850年写的一首忧郁的诗《追悼》，九年之后达尔文出版了他的《物种起源》。丁尼生的诗人朋友亚瑟·哈兰姆的去世是他写此诗的契机，在该句的上下文中，丁尼生表达了上帝之爱与大自然冷酷无情的强烈对比。他借着大自然的口说，不只个人会腐朽，物种也一样。“物种已绝灭了千千万万，我全不在乎，一切终将逝去。”对我们来说，一切，包括我们所珍惜的全部，如意志、爱、信赖、正义，还有上帝。虽然自始至终丁尼生都没有失去他的信仰，但是那时候诗人显然深受信仰的折磨。
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这种对大自然的成见(还有认为“自然进化好似个磨轮无情削磨”)，已经招致多方批评。老实说，这种论调完全忽略了草食动物、植物、藻类、真菌、细菌等多样生命间的合作关系，只剩下猎食者与猎物间的竞争关系，贬低了合作的重要性。达尔文所主张的为生存而奋斗，是一种广义的奋斗，还可以包含个体之间以及物种之间的合作，甚至是个体内部的基因合作等，总的来说就是包括自然界最重要的共生关系。我不打算在这里讨论合作关系，只是想讨论一下从诗文中引申出来的猎食行为的重要性，或者讲得更详细一点，想讨论运动的威力，讨论运动如何从很久以前彻底改变了我们的世界。
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沾满鲜血的獠牙与利爪隐含了运动的存在。首先抓到猎物，就不太像被动的行为。接下来咬紧上下颚需要用力打开再闭上嘴巴，这需要肌肉才能实现。如果要假设一种被动的猎食行为，大概就像真菌一样，但是即便是真菌，它们用菌丝缓慢绞住物体也需要某种程度的运动。总之我的观点就是，没有运动的话，很难想象如何能够依靠猎食来生存。因此，运动是非常基本而重大的发明。要想抓住你的猎物然后吃掉它，首先要学会运动，不管是像变形虫那样爬行吞噬，或者是像猎豹一般充满力量与速度的美。
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我们并不能立马察觉运动如何改变了生态系统的复杂性，还有植物进化的方向和速度。化石记录虽然透露了一些端倪，让我们稍微洞悉，但却无法完整呈现物种之间的互动，以及这些互动如何随时间而改变。有趣的是，化石记录显示大约在地球历史上最大规模的灭绝事件之后，也就是距今2.5亿年前的二叠纪结束之际，生物的复杂度发生了剧烈的改变，在此之前95%的物种都灭绝了。这一次大灭绝之后，一切都不一样了。
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当然，二叠纪以前的世界已经很复杂了，陆地上充满巨大的树木与蕨类植物、蝎子、蜻蜓、两栖类、爬行类等等，海中则充满了三叶虫、鱼类、菊石、腕足类、海百合(一种有长柄的棘皮动物，在二叠纪大灭绝时差点全部灭绝)以及珊瑚。不仔细看的话会以为这些生物的“种类”改变了，但整个生态系统却没有太大的不同，然而如果仔细分析会发现这种观点是不对的。
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生态系统的复杂性可以用物种的相对数目来评估。一个系统里如果只由少数物种主宰，而其他物种处在边缘地带，那我们会说这个生态系统很简单。但是如果大量的物种彼此共存，势均力敌，那么这样的生态系统就非常复杂，因为物种之间可以形成更多关系网络。把各时代化石记录中物种的数量记录下来，我们可以得到一个物种复杂性的“指标”，结果出人意料。物种的复杂性并非慢慢累积由简而繁，相反，看起来像在二叠纪大灭绝之后忽然急速升高。在大灭绝之前，大约有3亿年的时间，海洋里复杂与简单的生态系统大约各占一半，但是在大灭绝之后，复杂生态系统比简单生态系统多出3倍以上，之后的2.5亿年直到现在又是另一个持续稳定时期。为什么这种改变并非稳定进行，而会发生剧变呢？
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根据美国芝加哥自然史博物馆的古生物学家彼得·瓦格纳的看法，答案在于运动生物的扩张，这一变化让大量生物固定在海底的世界(腕足类、海百合等动物都是过着一种过滤碎屑为食的低耗能生活)，变成一个全新而充满活力的世界。新世界由四处移动的动物主宰，尽管只是一些海螺、海胆或螃蟹之类。当然很多四处移动的动物在大灭绝之前就已经存在了，但是只有等到大灭绝之后它们才真正成为主宰者。为什么在大灭绝之后会有这种急速的转变，目前还没有答案，或许是因为运动者对于世界的适应力更强。如果你一天到晚跑来跑去的话，那就更容易遇到各种环境变化，所以身体抵抗环境变化的能力就会更强。因此，或许运动的动物，在世界末日之后的环境剧变中更容易生存(第八章会详细讨论)。那些只靠过滤碎屑过活的生物则完全无力抵抗巨变的潮流。
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不过不管原因是什么，运动生物的兴起，改变了生活的样貌。不管从哪个角度来看，四处游走让动物更容易狭路相逢，因此不同物种之间有更多种互动的可能。这不只是说有更多种的猎食，同时也有更多牧食、更多腐食、更多穴居躲藏等行为。动物总有各种理由移动，但是运动所带来的新生活，让动物可以根据特定目的，在特定时间出现在特定地点，然后在另一个时间出现在另一个地点。换句话说，这种生活给了动物目的，让它们有可能根据思考，从事有目标的行为。
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然而运动所带来的改变，远超生活方式这一种，它还主宰了进化的步调、控制基因与物种随时间改变的速度。改变最快的当属寄生虫与病原微生物，因为它们要不断地创新发明来应付免疫系统的迫害，动物也从未对它们掉以轻心。而对于滤食动物，或者更广泛地包括植物这类固定不动的生物，进化就没那么快。对于这些物种而言，红皇后理论，那种要不停地奔跑才能保持在原地的理论(至少相对于竞争者来说)，简直是天方夜谭。滤食生物基本上是万年不动的，直到在某一瞬间被扫除一空。不过有一个例外，那就是开花植物，而这个例外又再次强调了运动的重要性。
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在二叠纪大灭绝以前，世界上并没有任何开花植物。当时植物世界是一片单调的绿色，如同现在的针叶林一般。多姿多彩的花朵与水果完全是植物对新动物世界的回应。显而易见，花朵是为了吸引传粉者，也就是动物，帮它们把花粉从一朵花传给另一朵，如此固定的植物就可以获得有性生殖的好处。水果也应动物的召唤而生，借用动物的肠子帮它们把种子散播出去。因此，开花植物和动物一起共同进化，两者环环相扣。植物满足了传粉者与食果实者内心深处的渴望，而动物则在毫不知情的状况下完成了植物交付的任务，至少到人类开始生产无子水果之前都是这样。这种纠缠不清的宿命加速了开花植物的进化速率，以便跟上它们的动物伙伴。
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运动让生物适应快速变化的环境，引发植物与动物之间更多的互动，产生了猎食这种生活形态，还带来了更复杂的生态系统。这些因素都促使感官系统进化得更敏锐(也就是说，更适于探索周围的世界)，以及更快的进化速度，这样才能跟上环境的变化速度，不只是其他动物，还有其他植物。然而在这一切的发明中，只有一个发明让一切变得可能，那就是肌肉。或许肌肉乍看之下并不会让人像赞叹其他感觉器官(如眼睛)一样赞叹它的完美，但是放在显微镜下观察，就可以发现肌肉是多么了不起。它有排列清晰的纤维，协同作用产生力量。它是把化学能转化成机械力的机器，和达·芬奇所发明的东西一样不可思议。但是这样一部目的性极强的机器是如何出现的？在这一章中我们将要讨论肌肉收缩的分子机制、它们的来源与进化。有了肌肉，动物才能如此深刻地改变整个世界。
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很少有特征能像肌肉这般引人注目，充满肌肉的男性总是激起人类的欲望或忌妒，从古希腊英雄阿喀琉斯到某位加州州长都是如此。与肌肉有关的历史，除了它的外表之外，还有许多伟大的思想家与实验者，都尝试去解释肌肉如何运作。从亚里士多德到笛卡儿，他们对肌肉的看法都是，肌肉运作原理并非收缩，而是膨胀，就像肌肉发达者膨胀的自信一样。他们认为脑室中会释放出看不见也无重量的动物灵气，通过中空的神经输送到肌肉，使其因膨胀而缩短。笛卡儿认为身体是机械的，因此他假设肌肉里面应该会有瓣膜，就像血管中的瓣膜阻止血液回流一样，这些瓣膜也可以阻止动物灵气回流。
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但是1660年，在笛卡儿之后不久，这个曾经备受宠爱的理论就被一个简单的发现推翻了。荷兰的实验生物学家扬·施旺麦丹用实验观察肌肉收缩时，发现肌肉的体积并没有增加，反而稍微减少了一些。这样一来，肌肉就不太可能像个袋子一样被动物灵气撑开。然后到了1670年，另外一位荷兰人，也就是显微镜技术的先驱安东尼·范·列文虎克，首次用他的玻璃透镜观察了肌肉的显微构造。根据他的描述，肌肉由许多非常细长的纤维组成，而这些纤维又由许多“非常小的球状物”彼此相连串成一条链子，上千条这种链子组成整个肌肉的构造。英国医师威廉·克罗尼[1]则认为这些小球体其实像许多小袋子一样，可以被灵气撑开，却不会影响总体的体积。这些结构的运作原理已经远远超出当时科学能验证的范围，但科学的想象却没有边界。当时有许多顶尖的科学家认为这些小袋子里面装的就是爆炸物。比如说英国科学家约翰·梅欧就认为，动物灵气其实是含硝的气体分子。他认为这种气体由神经提供，会和血液提供的含硫分子混合在一起，形成类似火药的爆炸物。
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不过这一理论也没流行多久，在列文虎克第一次观察肌肉的8年之后，他又用另外一架改良的显微镜重新观察他当年发现的“小球体”，然后为自己之前的说法致歉。他说肌肉纤维完全不是一连串小球体，而是一圈圈的环或皱褶，规律地绕着纤维，因此看起来像一颗颗小球体。他还把这些纤维压碎，在显微镜下细细观察其结构，发现这些纤维其实由更小的纤维组成，每根大概包含100多条小纤维。现在，这些东西的命名都不一样了。列文虎克当年看到的片段现在称为“肌节”，内含的细丝被称为“肌原纤维”。显然肌肉的收缩和小袋子膨胀一点关系也没有，而是和一束又一束的纤维有关。
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该结构暗示肌肉可能通过纤维之间的某种机械性滑动运作，但是科学家依然不知道什么力量可以驱动肌肉如此运作。还要再等100年，等科学家发现一种新的力量，才有可能让这些肌肉纤维生气蓬勃，那就是电力。
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18世纪80年代，意大利博洛尼亚大学的解剖学教授路易吉·伽伐尼用解剖刀碰触死青蛙的腿，同时在房间另一头有一部机器碰巧发出了一个电火花，他惊讶地发现死青蛙的腿居然收缩了。难道是电复活了青蛙腿？此后他做了一系列实验，用黄铜钩子摩擦解剖刀也会有一样的反应，雷雨天在屋内做实验也可以观察到类似的现象。这些实验催生出电力赋予生命力的理论，很快这一理论就被命名为直流电疗法(或称伽伐尼主义)，并且给英国作家玛丽·雪莱送去了灵感。雪莱在1823年写下她著名的哥特式小说《弗兰肯斯坦》之前，曾经详细研究过伽伐尼的实验报告。事实上，伽伐尼的侄子乔万尼·阿迪尼可能是小说里科学家弗朗肯斯坦的原型。他曾在19世纪初期巡回欧洲展示“伽伐尼式死体复活术”。最有名的一次是他在英国伦敦的皇家外科医学院，当着众多内外科医师、公爵甚至威尔士亲王的面，电击一颗被砍下的罪犯头颅。阿迪尼记录道，当他电击耳朵和嘴巴时，“下巴开始颤动，周围的肌肉剧烈收缩，甚至睁开了左眼”。
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当时另外一位意大利物理学家、帕维亚大学的教授亚历山德罗·伏特也对伽伐尼的实验很感兴趣，但是不赞成伽伐尼的解释。伏特坚持认为身体里面不可能有任何带电的东西，而直流电疗法的现象纯粹只是身体对金属产生的外界电流的被动反应。他认为，青蛙腿可以导电，这和浓盐水可以导电一模一样，纯粹是被动的。伽伐尼和伏特从此展开了一场为期十年的争论，而两派都各有积极的拥护者，恰好也反映了当时意大利的学术潮流：动物主义者对上机械主义者，生理学家对上物理学家，博洛尼亚大学对上帕维亚大学。
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伽伐尼坚持认为他的“动物电流”确实来自体内，但想要证实此事却很难，至少很难说服伏特。这场争论也很好地展现了伽伐尼式实验思维有多大的威力。在设计实验证明自己理论的过程中，伽伐尼首先证明肌肉的性质就是容易被激活的，因为它能产生比刺激更大的反应。他还主张肌肉可以凭借在内层表面的两侧累积正负电荷来产生电力。伽伐尼说，电流会通过两层表面间的小孔。
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这些主张真是非常有远见，但是这个例子也不幸地显示，历史由胜利者书写，即使在科学界也是如此。[2]因为伽伐尼拒绝拥戴拿破仑，因此拿破仑攻占意大利之后，他就被逐出博洛尼亚大学，次年因穷困潦倒而死。他的主张在随后数十年内渐渐没落，在很长一段时间，他只给后人留下“神秘的动物电流宣传者”或“伏特的对手”的印象。而伏特则在1810年被拿破仑封为伦巴第伯爵，不久之后电力单位也根据他的名字被命名为伏特。但是，尽管伏特因为发明了第一个实用电池，也就是伏特电池，在历史上占了一席之地，但是关于动物电流这件事他却错得离谱。
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一直到19世纪末，伽伐尼的理论才再度被认真对待，这要归功于德国学派对于生物物理的钻研，而其中最著名的人物当属物理大师赫尔曼·冯·亥姆霍兹。这个学派不只证明动物的肌肉与神经确实由“动物电流”产生力量，亥姆霍兹甚至计算出神经传递电脉冲的速度。他使用的方法是当时军方用来测量炮弹飞行速度的方法，而结果很奇怪。神经传导的速度相对偏慢，大约是每秒几十米，远不及正常电流每秒几百千米的速度。该结果表明动物电流和一般电流确有不同。很快科学家发现两者最大的不同就是动物电流由笨重缓慢的带电离子，如钾离子、钠离子或钙离子传递，而不是迅速又难以捕捉的电子。当离子穿过膜的时候会造成去极化现象，也就是说，细胞膜外面会暂时带更多负电。去极化现象仅发生在非常靠近细胞膜表面的地方，会形成“动作电位”，它会沿着神经表面或在肌肉里传递下去。
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但是这种动作电位到底如何驱动肌肉收缩。在回答这个问题之前，还要先回答另外一个更大更难的问题，那就是肌肉到底如何收缩？这次科学家利用更先进的显微镜技术来找答案。显微镜下的肌肉呈现出有规律的纹路，当时人们认为它们很可能由密度不同的物质组成。从19世纪30年代晚期开始，英国的外科医师兼解剖学家威廉·鲍曼，详细研究了40多种动物的肌肉显微结构。这些动物除了人类之外，还有其他哺乳类、鸟类、爬行类、两栖类、鱼类、甲壳类以及昆虫等等。他发现所有这些动物的肌肉都有横纹条带(称为肌节)，如160年前列文虎克的描述。不过鲍曼注意到，在每一节肌节中间还可以根据颜色分为明带与暗带。当肌肉收缩的时候肌节缩短，只有明带会消失，形成鲍曼所称的“收缩时的黑色浪潮”。根据这种现象，鲍曼认为，肌肉整体的收缩来自每一段肌节的收缩，目前为止他是对的(见图6.1)。
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