脊索动物的起源和演化

《脊索动物的起源和演化》由会员分享，可在线阅读，更多相关《脊索动物的起源和演化（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1 脊索动物的起源和进化 原索动物的起源进化 环节动物假说 棘皮动物假说 低等脊索动物尾索类和头索类的原始祖先体内还没有坚硬的骨骼 所 以不能在古代的地层中留下化石 因而给探求解决脊索动物起源问题的工 作带来了困难 近百年来 用比较解剖学和胚胎学的材料来进行分析推断 曾有人提出过 环节动物说 annelid theory 认为脊索动物起源 于环节动物 但论据不足 少有说服力 在此不作详细介绍 另外有人提出 棘皮动物说 echinoderm theory 认为 脊索动 物与棘皮动物有共同祖先 此说根据半索动物的成体有接近于脊索动物 的特点 而胚胎发育和幼体形态却和棘皮动物的极为相似 加以对肌肉

2、的肌蛋白生化成分的分析 表21 1 可以说半索动物 棘皮动物和脊 索动物有明显的共同点 均具肌酸 creatine 而半索动物与棘皮动 物的肌蛋白中除含有肌酸外 尚含有精氨酸 ayginine 无脊椎动物 的肌蛋白含精氨酸不含肌酸 故主张半索动物 棘皮动物与脊索动物源 自共同祖先 由此共同祖先分为3支演化 图21 1 一个侧支进化为棘 皮动物 这从近来发现 的一类棘皮动物 Cothurnocystis 化石得到更 好地证明 它们具一系列类似鲨鱼样 的鳃裂 具肛后尾和一个背神经索 它们是一类用鳃裂滤食的动物 十分类似现代的原索动物 图21 2 另一侧支进化为半索动物 主干进化为脊索动物 并将半索

3、动物与棘 皮动物作为从无脊椎动物向脊椎动物演化之过渡类型 英国生 物学家 加斯坦 于1928 年提出 脊索动 物幼体 进化假 说 在探索脊椎动物起源问题时 联系类似尾索动物样的祖先与早期脊椎 动物之间也有几条线索可循 在原索动物中 文昌鱼具有尾索动物与脊椎 动物二者的特征 1 它们的鳃裂像尾索动物 而它们的循环系统和按节 分布的神经系统与肌肉系统均类似于脊椎动物 消化管中的内柱与脊椎动 物的甲状腺同源 尤其是其胚胎发育的中胚层体腔囊的形成方式 在前14 对体节的形成方式同于棘皮动物与半索动物 14对体节之后的中胚层是从 一条独立的细胞带形成 这种方式又与脊椎动物是一致的 2 文昌鱼的 受精卵在

4、卵裂过程中的染色体具明显的双层膜结构 这又与棘皮动物的海 胆等相似 而不同于脊椎动物 但文昌鱼又是十分特化的动物 它们的脊 索向前超过神经管 按节排列的肾管和生殖腺均与脊椎动物不同 因此 一般动物学者认为文昌鱼类不能代表脊椎动物的祖先 故文昌鱼类或许是 脊索动物进化中离开主干的一个侧支 与脊椎动物有共同祖先 七鳃鳗生 命周期中的幼体 沙隐虫 图21 3 也可提供联系原索动物与脊椎动 物的一些证据 如它具脊索动物的基本特征 十分相似于尾索动物幼体和 文昌鱼类 生活方式也与文昌鱼类极为相似 营钻沙生活 并用鳃裂和围 鳃腔滤过取食 同时沙隐虫也有脊椎动物的肾 肝和胰 以及分节排列的 肌肉 故沙隐虫不

5、失为联系原索动物与脊椎动物很好的代表 圆口纲的起源和演化 现存圆口纲的两个目迄今尚未找到化石 但在距今5 25亿年的 古生代早期的奥陶纪 或寒武纪 志留纪和泥盆纪的地层中却发 现了甲胄鱼类 Ostracodermi 的化石 这类鱼一般在体前部覆盖 着盔甲样的外骨骼 例如鳞甲鱼和半环鱼等 图21 4 和现 存的圆口纲动物有许多共同特点 例如无上下颌 早期类型没有成 对的附肢 有鳃笼和单鼻孔 嗅囊与鼻垂体囊相通 两眼间有小的 松果体孔 内耳有两个半规管等 说明它们之间有一定的亲缘关系 甲胄鱼是现在已发现的最早的脊椎动物化石 现代生存的圆口纲 可能是甲胄鱼类的后裔 甲胄鱼是适应于向底栖生活发展的一支

6、 而圆口类动物是适应半寄生或寄生生活的一支 这两类不一定有直 接的亲缘关系 可能是来自共同的无颌类祖先 甲胄鱼到泥盆纪末 即告绝灭 现生圆口类 盲鳗与七鳃鳗等 则留存至今 成为脊椎 动物中特化的一群 图21 5 鱼类的起源和演化 鱼类是最低等的颌口类动物 鱼类的化石尽管已发现不少 但 鱼类究竟从什么时候和什么动物演化而来的问题至今尚难确切回答 显然 从鳃弓进化出颌弓在鱼类进化中应是一个重要的进展 从 化石材料看 在距今大约4亿年的泥盆纪 鱼类的主要类群均已出 现 如棘鱼类 盾皮鱼类 软骨鱼类和硬骨鱼类 但一般认为颌的 出现和最早的鱼类的进化可以追溯到奥陶纪 图21 6示鱼类的系统发生 根据化石

7、分析 棘鱼类的数量较 同时代的盾皮鱼类少 但棘鱼类生活的时间较盾皮鱼类更长些 棘 鱼类可能出现于奥陶纪 化石发现于距今约4 5亿年的地层中 志 留纪和泥盆纪时达高峰 绝灭于距今约3亿年前的石炭纪 根据棘 鱼类具鲨鱼样的牙和歪形尾 以及现代生存的某些鲨鱼的胚胎具有 棘鱼样成排的小的腹鳍 图21 7 有人认为棘鱼类更接近软骨 鱼 也有人认为棘鱼更接近硬骨鱼类的祖先 古鳕鱼类 因它具 硬骨鳞和鳃盖 以及硬骨的内骨骼 盾皮鱼类外被有盾形的骨质甲板 图21 7 与甲胄鱼形态 近似 但具上下颌 成对的鼻孔偶鳍和歪形尾 骨骼为软骨 包含 许多种类 如节颈鱼类 Arthrodira 褶齿鱼类 Ptyctodo

8、ntida 扁平鱼类 Petalichthyida 硬鲛类 Rhenanida 等 化石发现于志留纪 泥盆纪较发达 至泥盆纪末 大部分绝灭 只少数延续至石炭纪 盾皮鱼类的亲缘关系似乎更接 近于软骨鱼类 但也有人认为盾皮鱼类的一支演变为软骨鱼类 另 一支演化为硬骨鱼类 由水上陆 在脊椎动物的进化史上是一次巨大的飞跃 两栖类动物就 是这种由水上陆的过渡类型动物 两栖类的起源可以追索到距今 3 5亿年 至4亿年前的泥盆纪 在那时候 陆上的气候变得干燥 河流与湖泊周期 性的变成污浊的池塘和广阔的泥滩 同时海平面下降 使得一些鱼类只能 生活在沿岸边留存的水塘或潮湿的岸边 在如此恶劣的条件下 只有能行 气

9、呼吸 具 肺 鳔 并有较强的偶鳍能在陆上爬行的种类才能更好地 适应这种恶劣的环境条件 在泥盆纪的鱼类中只有肺鱼和总鳍鱼能行 肺 呼吸 但肺鱼的偶鳍细弱 为双列式的 图21 8 不能适应在陆上 爬行 只有总鳍鱼类 除具 肺 能行气呼吸外 尚具有类似陆生脊椎动 物附肢的偶鳍 具有强壮的肌肉和类似陆生脊椎动物四肢的骨骼结构 图 21 8 当然 总鳍鱼的鳍作为陆上活动的运动器官不是很有效的 但 终究能使其从一个干涸的池塘爬行到另外有水的池塘 气呼吸可使其在少 氧的混浊的池塘和短时间越过陆地而存活 缺乏这些适应能力的鱼类就可 能被自然选择所淘汰 因此 由逐渐适应和相对快速的一系列进化改变 具气呼吸与肉鳍

10、的鱼越来越适应陆地生活 最后 某些总鳍鱼类进化成第 一个类群的两栖动物 它们的鳍进化为陆生五指型附肢 两栖类的起源和演化 爬行类的起源和演化 一 爬行类的起源 根据经典的观点 爬行类是从距今约3亿年前的石炭纪 的迷齿类两栖动物演化来的 到石炭纪末期 地球上的气候曾经发生剧变 部分 地区出现了干旱和沙漠 使原来温暖而潮湿的气候变为干燥的大陆性气候 冬 寒夏暖 植物界也随着气候的变化而变了 蕨类植物大多数被裸子植物所代替 致使很多古代两栖类绝灭或再次入水 而具有适应于陆生结构以及羊膜卵的古代 爬行类则能生存并在斗争中不断发展 并将两栖类排挤到次要地位 到中生代几 乎遍布全球的各种生态环境 因而常称

11、中生代为爬行类时代 已知最古老的类爬行动物化石是蜥螈 或称西蒙龙 Seymouria 图21 12 它具有一系列近于两栖类的特征和似爬行类的特征 蜥螈是体长51cm的 蜥蜴形动物 它的头骨形态和结构很像坚头类 图21 13 二 爬行类的适应辐射 在适应陆地生活方面爬行类比两栖类更成功 最根本的原因可能是爬行类的羊膜卵 这样的卵与体内受精是相伴进化的 这 就使爬行类在适应陆上生活 不那么依赖水环境上优于两栖类 另一个征服陆地 的具决定性意义的是四肢的进化 爬行动物中很多种类的四肢位于腹面 能够很 好地将躯体抬离地面 这对其捕食与逃避敌害是十分有利的 这些进步性进化对 爬行动物的广泛适应辐射特别有

12、意义 爬行类之广泛适应辐射可能是在爬行动物 的早期进化中由于当时的自然选择压力没有任何特别强的方向性 故而使它向各 个方向进化出许多线系 图21 14 杯龙类 Cotylosaurria 似乎是爬行类祖先的基干 出现于古生代石炭纪 至中生代三叠纪绝灭 杯龙类具一系列类似于古代两栖类的特征 与其他爬行 纲类群相比较 头骨不具颞孔 为无颞窝类 所有各类爬行动物直接或间接的均 为杯龙类的后裔 重新回到水中生活的有游泳迅速而巨大的鱼龙 Ichthyosaurus 和蛇颈龙 Plesiosaurs 直接起源于杯龙类 在中生代大部分时间中统治了海洋 在距 今1亿年左右时间中先后绝灭 龟鳖类代表了一个相对较

13、小 但是一个古老的水生线系 继承了其祖先杯龙 类的特点 现代种类头骨不具颞孔 它们发展了消极保护适应的龟壳而从三叠纪 延续至今 三 爬行类的衰退 中生代是爬行类时代 在地球上的各种生态环境中生活着 各式各样的古爬行动物 尤以体躯巨大的恐龙 为当时地球上的一霸 它们在这 1亿多年的漫长岁月中 食量愈来愈大 相应的体型也愈来愈大 而生活习性和 食性又都向着专一化的方向发展 能较优越地适应于所栖居的特定环境条件 中 生代的气候十分稳定 季节的以及纬度变化的温差均轻微 但到了中生代末期 地球发生了强烈的地壳运动 造山运动 由于地壳剧变导致的气候 环境的巨 大变更 使植物类型也发生了改变 被子植物出现并

14、替代了裸子植物而居于优势 这些都给食量大而又狭食性的古爬行类带来严重的后果 加以恒温动物 特别 是哺乳动物的兴起 使古爬行类在生存斗争中居于劣势 导致相对突然地大量死 亡和绝灭 从而结束了盛极一时的爬行类的黄金时代 关于盛极一时的恐龙为什 么突然消失 至今仍然是生物学上一个极大的谜 在众多的假说中 近年来被广泛接受的是巨大的行星撞击地球的假说 人 们曾发现 在白垩纪和第三纪时 期的地层交界处大量存在铱 iridium 的沉积 物 近年来 一些学者在几个大陆上于此交界处地层的岩石中均发现 有丰富的 铱元素的沉积 换言之 在地球各大陆的白垩纪与第三纪的交界处的地层中普 遍含有丰富的铱元素沉积物 已

15、知铱元素在地球上如白金一样的稀少 但在陨 星上却含量十分丰富 据此事实 一些学者推测恐龙与一些古爬行类在白垩纪 的绝灭 是由于大的流星撞击地球引起的 对这 种 行星撞击地球 的假说 也 有少数生物学家认为 它与其他任何假说一样 在回答大的绝灭问题时 也存在疑 问 总之 迄今还没有能提出一种真正能令所有人信服的假说或实证 仍有待 进一步探索 鸟类的起源和适应辐射 一 鸟类的起源一般认为鸟类是从距今约1 5亿年前侏罗纪的槽 齿类爬行动物中的一支进化来的 其直接祖先尚不清楚 这是由于 鸟类骨骼比较脆弱形成化石的机会较少 因而原始类型的鸟类化石 较难发现 自1861年至今的100多年中 属于原始鸟类的

16、始祖鸟化 石仅报道有7例 且均采自德国巴伐利亚省的侏罗纪石灰石岩层中 这7例标本均为同一种 即始祖鸟 图21 17 1994年我国发现 数具始祖鸟化石 这是在德国以外的首次记录 引起世人瞩目 已 知该鸟生活于1 5亿年前的热带岛屿 可能是那时期在飞行时偶尔 坠入并淹死在环岛浅海的咸水中得以保存并成为化石的 从始祖鸟 的体制结构看 始祖鸟具有爬行类和鸟类的过渡形态 它与鸟类相 似的特征是 具羽毛 有翼 骨盆为 开放式 后足具 四趾 三前一后 具 V 形锁骨等 但它又具有类似爬行类的 特征 主要有 上下颌具牙齿 上颌13枚 下颌11枚 有一个 18 21个分离的尾椎骨构成的长尾 前肢具3枚分离的掌骨和指 骨 指端具爪 肋骨无钩状突 腿和头部具爬行类的鳞等 原始鸟类中除始祖鸟外 考古学家查特基 S Chatterjee 于 1986年从1983年采到的标本中发现了二件原始鸟类的标本 这2个 标本均采自美国得克萨斯的加扎 Garza 县的晚三叠纪 距今约 2 25亿年前 地层的泥岩中 定名为原鸟 Protoavis texensis 有 人译为新鸟 图21 18 原鸟大小似鸡 大的个体约长60