繁盛的羊膜动物家族 修改自[9]
现存的四足类中,除了两栖动物以外,悉数属于羊膜动物。从物种多样化的程度来看,羊膜动物足以称得上是演化上很成功的一个谱系。那么,它们成功的秘诀在哪里呢?
什么是“蛋”?羊膜卵的结构
——迈克尔.J.本顿 《古脊椎动物学》
羊膜卵又是什么呢?鱼类和两栖类也会产卵,但这些卵的结构相对简单,只有一层胚膜;而羊膜卵的结构则更为复杂,不仅有一层半透性的壳,还有多层外胚胎膜[10]。外胚胎膜包含绒毛膜、羊膜和尿膜三种结构,前两者用于保护胚胎并维持气*换,后者也参与呼吸,并存储代谢废物。
羊膜卵的结构 翻译自[11]
鸡蛋就是羊膜卵最典型的代表。不过我们平时食用的大多是未受精或没来得及发育的蛋,因此主要看到的是蛋清(卵清)和蛋黄(卵黄);观察仔细一些,或许可以看到蛋黄上有一个小白点,即为胚盘(受精后发育成雏鸡)[12];其他的结构则需要受精卵发育成胚胎才能够见到。根据外壳可以将羊膜卵分成膜壳卵、软壳卵和硬壳卵[13,14]。膜壳卵没有矿物质层,主要产自单孔类动物和部分有鳞类;软壳卵有一层很薄的矿物质层,产自一些龟鳖类和大多数有鳞类;我们最熟悉的硬壳卵,有一层厚而坚固的矿物质层,是部分有鳞类、大多数龟鳖类、鳄类和鸟类所产的卵[13]。
单孔类哺乳动物鸭嘴兽(a)、针鼹(b)和从卵中孵化出的幼体(c) 图源[15]
从分类上来看,哺乳动物也属于羊膜动物——那为什么我们不是从蛋里孵出来的呢?其实哺乳动物的祖先类群依然是卵生的,存活至今的鸭嘴兽就是例证。哺乳行为减少了幼崽对卵黄(营养来源)的依赖;后来有袋类(例如袋鼠)和胎盘动物(例如人)演化出了胎盘,依靠母体获得营养,进而全面代替了原有的羊膜卵结构[16]。因此,尽管现生的胎盘哺乳动物并不生产羊膜卵,它们从演化历史上来看也属于羊膜动物。
“鸡”“蛋”之争:究竟谁先出现?
造型复杂而精巧的羊膜卵,一直被认为是脊椎动物登陆的关键。传统的“陆地起源假说”认为,陆生脊椎动物的祖先采取水生或两栖的生活方式。为了避免后代沦为水生捕食者的“盘中餐”,它们将卵产在了较为湿润的陆地上[17]。不过这也并非一劳永逸的办法:干燥而复杂的陆地环境也提出了新的生存挑战。随着时间的推移,卵的结构愈加复杂,产生了额外的胚胎外膜,并演化出了一层坚硬的外壳。这种精巧的卵结构,不仅减少了水分的散失,还降低了胚胎受到病原感染的风险,是里程碑式的“演化创新”[17]。翻开教科书都不难发现一条经典的结论:羊膜卵的出现,让胚胎发育过程脱离了对水环境的依赖,是脊椎动物适应陆生生活的关键标志[18]。
不过,登陆的故事绝非完美地尘埃落定。大胆质疑与谨慎论证一直是科学发展的主旋律。
另有人认为,羊膜卵的出现与陆地环境之间没有直接的联系[19]。羊膜动物是体内受精的,发育中的受精卵如果保存在母体的子宫内,就有可能会吸附在子宫壁上,进而引起呼吸等功能性的障碍。为了适应与母体的互动,胚胎发育出了额外胚胎外膜,维持母体与幼体之间的气体与营养物质的传输,并防止发育中的胚胎附着在子宫壁上[17]。如此一来,发育中的卵就可以在母体内保存更长的时间,在获得营养的同时,受到母体的保护[20]——这种假说称为“延长胚胎体内发育(extended egg retention,EER)假说”。
关于羊膜卵起源的两种假说 翻译自[3]
虽然本质上都是为了适应复杂多变的陆地环境,但两种假说从不同角度解释了羊膜卵出现的原因:陆地起源假说强调对干燥环境的直接适应,倾向于认为先有“蛋”,即羊膜卵;而EER假说偏向于强调获得母体的保护,倾向于认为先有“鸡”,即羊膜动物[21]。究竟哪种假说更胜一筹呢?唯有在真实的自然世界里见真章了。