原創(chuàng) 小刀 果殼

如果要給人類對未來的執(zhí)念列個名單，機(jī)械金屬骨骼必須擁有姓名。從漫威系列中的鋼鐵俠到《攻殼機(jī)動隊》中擁有“機(jī)械義體”的少佐，他們以鋼鐵合金取代人類現(xiàn)有的鈣質(zhì)骨骼，成為超級人類。

作為一個曾經(jīng)從單車上做拋物線落體、直接 pia pia 摔裂 7 根肋骨的人，不禁想追問一句：自然界那么多元素，為什么非要用鈣做骨頭，金銀硅鎳不香嗎？如果是金元素作為骨骼的主要成分，摔倒不就是鬧著玩兒的事了嘛。

如果摔了不會骨折，那就可以隨隨便便摔了。日常對話：

“今天您摔了嗎？”“在摔，勿cue。”

人類為什么選擇了鈣質(zhì)骨骼？這得回到數(shù)億年前，從故事的開端說起。

骨骼崛起：說好的一起軟呢？

在幾十億年的漫長演化中，生命究竟是在哪一刻首次擁有了骨骼，我們至今還無法給出確切的答案。但至少在 6.35億～5.41億年前的埃迪卡拉時期，只有極小部分生物擁有骨骼，其余的大多數(shù)家伙仍是軟綿綿的。它們躺在海底，不擅長移動，各自以微生物席為食，彼此并不打擾。

埃迪卡拉時期生物群復(fù)原圖 | Ryan Somma

這樣的歲月靜好，隨著寒武紀(jì)到來而被打破。此時，地球變暖，海底植物增加，氧氣大量積累。這為地球提供了更多的食物和更適宜的環(huán)境，催生了體積更大、能夠快速移動、更耗氧的動物。生命種類和形態(tài)的暴漲，帶來了所謂的“寒武紀(jì)生命大爆發(fā)”。

隨之而來的，是物種之間愈發(fā)激烈的競爭。狩獵者與獵物之間的角逐大量出現(xiàn)，攻守雙方都得加緊“升級裝備”。例如，它們需要更先進(jìn)的視覺系統(tǒng)，精準(zhǔn)定位對方。全身綿軟的狀態(tài)，也無法滿足迅速行動的需求。

有的生物則在此時發(fā)展了挖洞躲避的能力，如已經(jīng)滅絕的加拿大蟲 Canadaspis，這讓它們能向下開發(fā)生存空間 | Claire H. / Wikimedia

它們必須把自己支棱起來，用硬構(gòu)造支撐身體。就這樣，為了吃到和防止被吃，骨骼成為了演化之路無可避掉的一環(huán)。

制造骨骼：誰是“天選之子”？

骨骼演化是一個漫長的過程，但我們不妨將數(shù)千數(shù)萬年的歷史，濃縮到寒武紀(jì)海底一只小蟲子的身上——就強(qiáng)行給它取名“托尼”好了。不論作為捕或被捕的一方，想要在寒武紀(jì)這個修羅場里活下來，托尼都必須讓自己硬起來，它的出路之一是生物礦化——沉積礦物，制造堅硬的身體結(jié)構(gòu)。

不知道托尼長什么樣子，但在寒武紀(jì)早期，大部分小蟲子都長得恍恍惚惚，例如這個在云南澄江生物群發(fā)現(xiàn)的云南火把蟲（Facivermis yunnanicus）| Franz Anthony

生物礦化在很久之前就已經(jīng)發(fā)生，但其馬力全開還是在寒武紀(jì)。此時氣溫上升，冰川融化，海水侵蝕海邊的沉積巖，將巖塊中的鈣、鐵、鉀等金屬離子帶到海水中，這為托尼們提供了豐富的礦物質(zhì)原料。

但要用哪一類礦物質(zhì)，托尼還有很多選擇。

選擇一：沙粒碎片和植物殘骸

如果托尼要求不高，可以用分泌物將沙粒碎片（如云母）和植物殘骸黏在身上。雖然手法湊合，工藝粗糙，但也不失為一種早期的外骨骼（外殼）造型。

寒武紀(jì)早期，將云母片黏起來作為“外殼”的小蟲子 Onuphionella durhami | Signor & McMenamin

選擇二：鐵化合物

如果托尼是個真·頭鐵的小蟲子，可以選擇鐵質(zhì)外骨骼。例如鱗角腹足蝸牛，不僅腳上覆蓋硫化鐵鱗片，軀體還有三層外殼，從外而內(nèi)分別是硫化鐵殼、有機(jī)角質(zhì)層和鈣質(zhì)殼。

必須擁有圖片的鱗角腹足蝸牛（Chrysomallon squamiferum）| Kentaro Nakamura et al.

選擇三：二氧化硅

托尼還可以成為硅基生命一代目，用二氧化硅打造外骨骼，例如放射蟲。

放射蟲類化石 | Shan Chang, Qinglai Feng, Lei Zhang

選擇四：鈣化合物

不過，上面所說的例子都少見，最主流的選擇還是鈣化合物。因為對于普通小蟲子托尼來說，它在選擇礦物質(zhì)時，需要考慮諸多現(xiàn)實因素：

首先，這種元素在環(huán)境中的含量必須足夠高；其次，有機(jī)體要能夠在細(xì)胞層面運輸、調(diào)控、利用它們，才能制作生物礦化物。

在骨骼演化之始的海洋環(huán)境中，鈣離子含量豐富；而且?guī)缀跛屑?xì)胞都可以調(diào)控生物體內(nèi)部的鈣質(zhì)水平。自然界存在最廣泛的碳酸鈣礦——方解石和霰石，因此成為生物礦化的主要來源，是托尼們制作外骨骼的首選。

至此可以回答，在演化之初，我們的蟲子祖先嘗試過用各種礦類來打造外骨骼。但可能是當(dāng)時的海洋環(huán)境和大多數(shù)生物體內(nèi)本身的機(jī)理，讓鈣質(zhì)骨骼成為最大贏家。

寒武紀(jì)早期的小殼化石，是托尼們的重甲（外骨骼）| Precambrian Research

生物礦化是一個復(fù)雜的過程，涉及礦物質(zhì)的沉淀和生長，需要各種蛋白質(zhì)的參與。在演化進(jìn)程中，更改礦物質(zhì)非常困難，這就像一個大型工廠突然改做其它產(chǎn)品，所有相關(guān)的設(shè)備都必須調(diào)整和更換，成本太大。

到現(xiàn)在為止，骨骼的生成已經(jīng)和環(huán)境非常契合，沒有理由再做改變。鈣質(zhì)骨骼不僅出道即王者，還成為了長盛不衰的“天選之子”。

寒武紀(jì)生命大爆發(fā)，帶有外骨骼的生物大量出現(xiàn) | Carel Pieter Brest van Kempen

骨骼啟示：硬才是王道霸業(yè)

生命對光的感知，誘使視覺的出現(xiàn)和演化，這如同推翻的第一塊多米諾骨牌，引爆寒武紀(jì)生命大爆發(fā)。骨骼的出現(xiàn)，則如同綠巨人浩克變身，拔地而起，撐起演化之路的強(qiáng)勢突破。這兩者是演化的結(jié)果，反過來又成了演化的動力，促使更多物種出現(xiàn)。

在骨骼化的道路上，我們越走越遠(yuǎn)。今天看到的昆蟲如蝗蟲和蟑螂、甲殼動物如螃蟹和蝦、腹足動物如蝸牛、雙殼動物如蛤蜊等，殼就是它們的外骨骼。

蟬在樹上留下的外骨骼 | Sputniktilt / Wikimedia Commons

內(nèi)骨骼的演化也幾乎同時發(fā)生，出現(xiàn)了脊椎動物這一分支。有了脊椎的支撐，大型脊椎動物開啟了對陸地的征途。在離開大海后，億萬年間，生命在陸地開拓、協(xié)作、追逐和相互絞殺，并在一次又一次的大滅絕后，最終演化出背骨直立的人類。

2014 年，古生物學(xué)家在紐芬蘭島發(fā)現(xiàn)了 5.5 億年前的遺跡化石。軟綿綿的不擅移動的埃迪卡拉動物們，在上面留下了無規(guī)則的活動痕跡。我們仿佛看到，它們由于沒有硬殼支撐而跌跌撞撞地摸索，由于神經(jīng)系統(tǒng)未演化，它們無法感知周圍環(huán)境，亦無法與近鄰打個招呼。

埃迪卡拉時期的化石。由于這一時期只有很少的生物擁有外骨骼，其他軟綿綿的動物幾乎不可能被保存下來，因而現(xiàn)存的化石主要是遺跡化石，它們記錄了古生物活動時留下的遺跡或遺物 | Calla Carbone and Gut M. Narbonne

在這層化石上方 1.2 米處，痕跡變得有規(guī)律，密集地排布在沉積巖上。其中有一條彎彎曲曲的痕跡線，在某個節(jié)點后突然變得筆直。

古生物學(xué)家猜測，這可能是寒武紀(jì)一只小蟲子留下的活動痕跡。它或許突然發(fā)現(xiàn)獵食者，迅速逃離；或者直接被捕食者拖走。這一條筆直的痕跡，很可能是因為有了硬的骨骼才可以留下。在一次次的絞殺中，自我升級，努力突圍，這就是生命在演化史上的漫漫征途。

寒武紀(jì)節(jié)肢動物的抓痕 | Calla Carbone and Gut M. Narbonne

沒有人能夠精準(zhǔn)推算，這 1.2 米對應(yīng)著多長的時間；僅憑化石證據(jù)，也難以拼湊出骨骼演化的全貌。但我們可以謹(jǐn)慎地說，擁有骨骼的生命，就在這 1.2 米之間大量出現(xiàn)，不斷繁衍——而它們的后代之一，剛剛敲下這行字。

想一想，5.4 億年前的小蟲子面對強(qiáng)大的對手，為自己打造了一副骨骼，讓命運俯首；而今的我們，繼續(xù)在科幻世界里期翼機(jī)械骨骼的出現(xiàn)，渴望用它筑起巨浪之中船體的鋼骨之撐，擁有對命運的掌控。

機(jī)械骨骼已經(jīng)成為了科幻作品里的常見設(shè)定 |《攻殼機(jī)動隊》

遙遠(yuǎn)的過去和無可預(yù)想的未來，仿佛就在此交疊。

參考文獻(xiàn)

[1] Ben Yang, Michael Steiner b, Maoyan Zhu c, Guoxiang Li c, Jianni Liu d, Pengju Liu. 2016. Transitional Ediacaran–Cambrian small skeletal fossil assemblages from South China and Kazakhstan: Implications for chronostratigraphy and metazoan evolution. Precambrian Research, 285: 202-215

[2] Carbone, C and Narbonne, M. G. 2014. When Life got Smart: the evolution of behavioral complexity through the Ediacaran and early Cambrian of NW Canada. Journal of Paleontology, 88(2): 309-330.

[3] Chang S, Feng Q, Zhang L. 2018. New Siliceous Microfossils from the Terreneuvian Yanjiahe Formation, South China: The Possible Earliest Radiolarian Fossil Record. Journal of Earth Science, 29(4): 912-919.

[4] Dzik.J. 2007. The Verdun Syndrome: simultaneous origin of protective armour and infaunal shelters at the Precambrian–Cambrian transition in Vickers, R. P. & Komarower, P. (eds) The Rise and Fall of the Ediacaran Biota. Geological Society, London, Special Publications, 286, 405–414.

[5] Fox, D. 2016. What sparked the Cambrian Explosion? Nature, 530: 268-270.

[6] Porter, M. S. 2007. Seawater Chemistry and Early Carbonate Biomineralization. Science, 316 (5829): 13.

[7] Signor, P.W. & McMenamin, M.A.S. 1988. The Early Cambrian worm tube Onuphionella from California and Nevada. Journal of Paleontology, 62: 233-240.

[8] Watson, T. 2020. These bizarre ancient species are rewriting animal evolution. Nature, [online] Volume 586, p. 662-665. Available at:

https://www.nature.com/articles/d41586-020-02985-z [Accessed 15 Jan. 2021].

[9] Wikipedia. 2020. “Cambrian.” Last modified September 12, 2020.

https://en.wikipedia.org/wiki/Cambrian.

作者：小刀

原標(biāo)題：《啪唧一摔，骨頭就折。老祖宗怎么就沒換個材料造人呢？》

閱讀原文