啪唧一摔,骨頭就折。老祖宗怎麼就沒換個材料造人呢?
2021年02月27日06:30

  來源:果壳

  如果要給人類對未來的執念列個名單,機械金屬骨骼必須擁有姓名。從漫威系列中的鐵甲奇俠到《攻殼機動隊》中擁有“機械義體”的少佐,他們以鋼鐵合金取代人類現有的鈣質骨骼,成為超級人類。

  作為一個曾經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:自然界那麼多元素,為什麼非要用鈣做骨頭,金銀矽鎳不香嗎?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。”
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。”

  人類為什麼選擇了鈣質骨骼?這得回到數億年前,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,其餘的大多數傢伙仍是軟綿綿的。它們躺在海底,不擅長移動,各自以微生物席為食,彼此並不打擾。

埃迪卡拉時期生物群複原圖 | Ryan Somma
埃迪卡拉時期生物群複原圖 | Ryan Somma

  這樣的歲月靜好,隨著寒武紀到來而被打破。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。生命種類和形態的暴漲,帶來了所謂的“寒武紀生命大爆發”。

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

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

  它們必須把自己支棱起來,用硬構造支撐身體。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。

  製造骨骼:誰是“天選之子”?

  骨骼演化是一個漫長的過程,但我們不妨將數千數萬年的歷史,濃縮到寒武紀海底一隻小蟲子的身上——就強行給它取名“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,製造堅硬的身體結構。

不知道托尼長什麼樣子,但在寒武紀早期,大部分小蟲子都長得恍恍惚惚,例如這個在雲南澄江生物群發現的雲南火把蟲(Facivermis yunnanicus)| Franz Anthony
不知道托尼長什麼樣子,但在寒武紀早期,大部分小蟲子都長得恍恍惚惚,例如這個在雲南澄江生物群發現的雲南火把蟲(Facivermis yunnanicus)| Franz Anthony

  生物礦化在很久之前就已經發生,但其馬力全開還是在寒武紀。此時氣溫上升,冰川融化,海水侵蝕海邊的沉積岩,將岩塊中的鈣、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原料。

  但要用哪一類礦物質,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(如雲母)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。

 寒武紀早期,將雲母片黏起來作為“外殼”的小蟲子 Onuphionella durhami | Signor & McMenamin
 寒武紀早期,將雲母片黏起來作為“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,從外而內分別是硫化鐵殼、有機角質層和鈣質殼。

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

  選擇三:二氧化矽

  托尼還可以成為矽基生命一代目,用二氧化矽打造外骨骼,例如放射蟲。

  放射蟲類化石 | Shan Chang, Qinglai Feng, Lei Zhang
  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。因為對於普通小蟲子托尼來說,它在選擇礦物質時,需要考慮諸多現實因素:

  首先,這種元素在環境中的含量必須足夠高;其次,有機體要能夠在細胞層面運輸、調控、利用它們,才能製作生物礦化物。

  在骨骼演化之始的海洋環境中,鈣離子含量豐富;而且幾乎所有細胞都可以調控生物體內部的鈣質水平。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,是托尼們製作外骨骼的首選。

  至此可以回答,在演化之初,我們的蟲子祖先嚐試過用各種礦類來打造外骨骼。但可能是當時的海洋環境和大多數生物體內本身的機理,讓鈣質骨骼成為最大贏家。

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

  生物礦化是一個複雜的過程,涉及礦物質的沉澱和生長,需要各種蛋白質的參與。在演化進程中,更改礦物質非常困難,這就像一個大型工廠突然改做其它產品,所有相關的設備都必須調整和更換,成本太大。

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

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

  骨骼啟示:硬才是王道霸業

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

  在骨骼化的道路上,我們越走越遠。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
 蟬在樹上留下的外骨骼 | Sputniktilt / Wikimedia Commons

  內骨骼的演化也幾乎同時發生,出現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。在離開大海後,億萬年間,生命在陸地開拓、協作、追逐和相互絞殺,並在一次又一次的大滅絕後,最終演化出背骨直立的人類。

  2014 年,古生物學家在紐芬蘭島發現了 5.5 億年前的遺蹟化石。軟綿綿的不擅移動的埃迪卡拉動物們,在上面留下了無規則的活動痕跡。我們彷彿看到,它們由於沒有硬殼支撐而跌跌撞撞地摸索,由於神經系統未演化,它們無法感知周圍環境,亦無法與近鄰打個招呼。

埃迪卡拉時期的化石。由於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,因而現存的化石主要是遺蹟化石,它們記錄了古生物活動時留下的遺蹟或遺物 | Calla Carbone and Gut M。 Narbonne
埃迪卡拉時期的化石。由於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,因而現存的化石主要是遺蹟化石,它們記錄了古生物活動時留下的遺蹟或遺物 | Calla Carbone and Gut M。 Narbonne

  在這層化石上方 1.2 米處,痕跡變得有規律,密集地排布在沉積岩上。其中有一條彎彎曲曲的痕跡線,在某個節點後突然變得筆直。

  古生物學家猜測,這可能是寒武紀一隻小蟲子留下的活動痕跡。它或許突然發現獵食者,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。

寒武紀節肢動物的抓痕 | Calla Carbone and Gut M。 Narbonne
寒武紀節肢動物的抓痕 | Calla Carbone and Gut M。 Narbonne

  沒有人能夠精準推算,這 1.2 米對應著多長的時間;僅憑化石證據,也難以拚湊出骨骼演化的全貌。但我們可以謹慎地說,擁有骨骼的生命,就在這 1.2 米之間大量出現,不斷繁衍——而它們的後代之一,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,繼續在科幻世界里期翼機械骨骼的出現,渴望用它築起巨浪之中船體的鋼骨之撐,擁有對命運的掌控。

 機械骨骼已經成為了科幻作品里的常見設定 |《攻殼機動隊》
 機械骨骼已經成為了科幻作品里的常見設定 |《攻殼機動隊》

  遙遠的過去和無可預想的未來,彷彿就在此交疊。

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