来源:果壳

  如果要给人类对未来的执念列个名单,机械金属骨骼必须拥有姓名。从漫威系列中的钢铁侠到《攻壳机动队》中拥有“机械义体”的少佐,他们以钢铁合金取代人类现有的钙质骨骼,成为超级人类。

  作为一个曾经从单车上做抛物线落体、直接 pia pia 摔裂 7 根肋骨的人,不禁想追问一句:自然界那么多元素,为什么非要用钙做骨头,金银硅镍不香吗?如果是金元素作为骨骼的主要成分,摔倒不就是闹着玩儿的事了嘛。

如果摔了不会骨折,那就可以随随便便摔了。日常对话:“今天您摔了吗?”“在摔,勿cue。”如果摔了不会骨折,那就可以随随便便摔了。日常对话:“今天您摔了吗?”“在摔,勿cue。”

  人类为什么选择了钙质骨骼?这得回到数亿年前,从故事的开端说起。

  骨骼崛起:说好的一起软呢?

  在几十亿年的漫长演化中,生命究竟是在哪一刻首次拥有了骨骼,我们至今还无法给出确切的答案。但至少在 6.35亿~5.41亿年前的埃迪卡拉时期,只有极小部分生物拥有骨骼,其余的大多数家伙仍是软绵绵的。它们躺在海底,不擅长移动,各自以微生物席为食,彼此并不打扰。

埃迪卡拉时期生物群复原图 | Ryan Somma埃迪卡拉时期生物群复原图 | Ryan Somma

  这样的岁月静好,随着寒武纪到来而被打破。此时,地球变暖,海底植物增加,氧气大量积累。这为地球提供了更多的食物和更适宜的环境,催生了体积更大、能够快速移动、更耗氧的动物。生命种类和形态的暴涨,带来了所谓的“寒武纪生命大爆发”。

  随之而来的,是物种之间愈发激烈的竞争。狩猎者与猎物之间的角逐大量出现,攻守双方都得加紧“升级装备”。例如,它们需要更先进的视觉系统,精准定位对方。全身绵软的状态,也无法满足迅速行动的需求。

有的生物则在此时发展了挖洞躲避的能力,如已经灭绝的加拿大虫 Canadaspis,这让它们能向下开发生存空间 | Claire H。 / Wikimedia有的生物则在此时发展了挖洞躲避的能力,如已经灭绝的加拿大虫 Canadaspis,这让它们能向下开发生存空间 | Claire H。 / Wikimedia

  它们必须把自己支棱起来,用硬构造支撑身体。就这样,为了吃到和防止被吃,骨骼成为了演化之路无可避掉的一环。

  制造骨骼:谁是“天选之子”?

  骨骼演化是一个漫长的过程,但我们不妨将数千数万年的历史,浓缩到寒武纪海底一只小虫子的身上——就强行给它取名“托尼”好了。不论作为捕或被捕的一方,想要在寒武纪这个修罗场里活下来,托尼都必须让自己硬起来,它的出路之一是生物矿化——沉积矿物,制造坚硬的身体结构。

不知道托尼长什么样子,但在寒武纪早期,大部分小虫子都长得恍恍惚惚,例如这个在云南澄江生物群发现的云南火把虫(Facivermis yunnanicus)| Franz Anthony不知道托尼长什么样子,但在寒武纪早期,大部分小虫子都长得恍恍惚惚,例如这个在云南澄江生物群发现的云南火把虫(Facivermis yunnanicus)| Franz Anthony

  生物矿化在很久之前就已经发生,但其马力全开还是在寒武纪。此时气温上升,冰川融化,海水侵蚀海边的沉积岩,将岩块中的钙、铁、钾等金属离子带到海水中,这为托尼们提供了丰富的矿物质原料。

  但要用哪一类矿物质,托尼还有很多选择。

  选择一:沙粒碎片和植物残骸

  如果托尼要求不高,可以用分泌物将沙粒碎片(如云母)和植物残骸黏在身上。虽然手法凑合,工艺粗糙,但也不失为一种早期的外骨骼(外壳)造型。

 寒武纪早期,将云母片黏起来作为“外壳”的小虫子 Onuphionella durhami | Signor & McMenamin 寒武纪早期,将云母片黏起来作为“外壳”的小虫子 Onuphionella durhami | Signor & McMenamin

  选择二:铁化合物

  如果托尼是个真·头铁的小虫子,可以选择铁质外骨骼。例如鳞角腹足蜗牛,不仅脚上覆盖硫化铁鳞片,躯体还有三层外壳,从外而内分别是硫化铁壳、有机角质层和钙质壳。

 必须拥有图片的鳞角腹足蜗牛(Chrysomallon squamiferum)| Kentaro Nakamura et al。 必须拥有图片的鳞角腹足蜗牛(Chrysomallon squamiferum)| Kentaro Nakamura et al。

  选择三:二氧化硅

  托尼还可以成为硅基生命一代目,用二氧化硅打造外骨骼,例如放射虫。

  放射虫类化石 | Shan Chang, Qinglai Feng, Lei Zhang  放射虫类化石 | Shan Chang, Qinglai Feng, Lei Zhang

  选择四:钙化合物

  不过,上面所说的例子都少见,最主流的选择还是钙化合物。因为对于普通小虫子托尼来说,它在选择矿物质时,需要考虑诸多现实因素:

  首先,这种元素在环境中的含量必须足够高;其次,有机体要能够在细胞层面运输、调控、利用它们,才能制作生物矿化物。

  在骨骼演化之始的海洋环境中,钙离子含量丰富;而且几乎所有细胞都可以调控生物体内部的钙质水平。自然界存在最广泛的碳酸钙矿——方解石和霰石,因此成为生物矿化的主要来源,是托尼们制作外骨骼的首选。

  至此可以回答,在演化之初,我们的虫子祖先尝试过用各种矿类来打造外骨骼。但可能是当时的海洋环境和大多数生物体内本身的机理,让钙质骨骼成为最大赢家。

寒武纪早期的小壳化石,是托尼们的重甲(外骨骼)| Precambrian Research寒武纪早期的小壳化石,是托尼们的重甲(外骨骼)| Precambrian Research

  生物矿化是一个复杂的过程,涉及矿物质的沉淀和生长,需要各种蛋白质的参与。在演化进程中,更改矿物质非常困难,这就像一个大型工厂突然改做其它产品,所有相关的设备都必须调整和更换,成本太大。

  到现在为止,骨骼的生成已经和环境非常契合,没有理由再做改变。钙质骨骼不仅出道即王者,还成为了长盛不衰的“天选之子”。

寒武纪生命大爆发,带有外骨骼的生物大量出现 | Carel Pieter Brest van Kempen寒武纪生命大爆发,带有外骨骼的生物大量出现 | Carel Pieter Brest van Kempen

  骨骼启示:硬才是王道霸业 

  生命对光的感知,诱使视觉的出现和演化,这如同推翻的第一块多米诺骨牌,引爆寒武纪生命大爆发。骨骼的出现,则如同绿巨人浩克变身,拔地而起,撑起演化之路的强势突破。这两者是演化的结果,反过来又成了演化的动力,促使更多物种出现。

  在骨骼化的道路上,我们越走越远。今天看到的昆虫如蝗虫和蟑螂、甲壳动物如螃蟹和虾、腹足动物如蜗牛、双壳动物如蛤蜊等,壳就是它们的外骨骼。

 蝉在树上留下的外骨骼 | Sputniktilt / Wikimedia Commons 蝉在树上留下的外骨骼 | Sputniktilt / Wikimedia Commons

  内骨骼的演化也几乎同时发生,出现了脊椎动物这一分支。有了脊椎的支撑,大型脊椎动物开启了对陆地的征途。在离开大海后,亿万年间,生命在陆地开拓、协作、追逐和相互绞杀,并在一次又一次的大灭绝后,最终演化出背骨直立的人类。

  2014 年,古生物学家在纽芬兰岛发现了 5.5 亿年前的遗迹化石。软绵绵的不擅移动的埃迪卡拉动物们,在上面留下了无规则的活动痕迹。我们仿佛看到,它们由于没有硬壳支撑而跌跌撞撞地摸索,由于神经系统未演化,它们无法感知周围环境,亦无法与近邻打个招呼。

埃迪卡拉时期的化石。由于这一时期只有很少的生物拥有外骨骼,其他软绵绵的动物几乎不可能被保存下来,因而现存的化石主要是遗迹化石,它们记录了古生物活动时留下的遗迹或遗物 | Calla Carbone and Gut M。 Narbonne埃迪卡拉时期的化石。由于这一时期只有很少的生物拥有外骨骼,其他软绵绵的动物几乎不可能被保存下来,因而现存的化石主要是遗迹化石,它们记录了古生物活动时留下的遗迹或遗物 | Calla Carbone and Gut M。 Narbonne

  在这层化石上方 1.2 米处,痕迹变得有规律,密集地排布在沉积岩上。其中有一条弯弯曲曲的痕迹线,在某个节点后突然变得笔直。

  古生物学家猜测,这可能是寒武纪一只小虫子留下的活动痕迹。它或许突然发现猎食者,迅速逃离;或者直接被捕食者拖走。这一条笔直的痕迹,很可能是因为有了硬的骨骼才可以留下。在一次次的绞杀中,自我升级,努力突围,这就是生命在演化史上的漫漫征途。

寒武纪节肢动物的抓痕 | Calla Carbone and Gut M。 Narbonne寒武纪节肢动物的抓痕 | Calla Carbone and Gut M。 Narbonne

  没有人能够精准推算,这 1.2 米对应着多长的时间;仅凭化石证据,也难以拼凑出骨骼演化的全貌。但我们可以谨慎地说,拥有骨骼的生命,就在这 1.2 米之间大量出现,不断繁衍——而它们的后代之一,刚刚敲下这行字。

  想一想,5.4 亿年前的小虫子面对强大的对手,为自己打造了一副骨骼,让命运俯首;而今的我们,继续在科幻世界里期翼机械骨骼的出现,渴望用它筑起巨浪之中船体的钢骨之撑,拥有对命运的掌控。

 机械骨骼已经成为了科幻作品里的常见设定 |《攻壳机动队》 机械骨骼已经成为了科幻作品里的常见设定 |《攻壳机动队》

  遥远的过去和无可预想的未来,仿佛就在此交叠。


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