《不可思议的骨骼》 田牧歌解读

《不可思议的骨骼》| 田牧歌解读

你好，欢迎每天听本书，今天为你解读的书是《不可思议的骨骼》。

人靠双腿走路，鸟靠翅膀飞翔，海螺在壳中栖居，昆虫靠甲壳抵御外敌，这些自然现象的背后都离不开一个生理结构——骨骼。对生命来说，骨骼的重要性再怎么强调都不为过，是骨骼支撑起了生物的躯体，成为生物演化中最实用的工具。从某种意义上说，骨骼的出现甚至彻底改变了生命的演化进程。

为什么这么说呢？地球生命诞生至今，已经有大约40亿年历史，但是在绝大部分时间里，生命的演化水平一直都很原始，如果你能回到那个时代，举目望去，四周其实看不到什么生命的痕迹。但自从5亿多年前开始，地球突然变得欣欣向荣，各式各样的生命形态在很短时间里迅速出现，生命的演化进入了一个全新的篇章。而引起这种改变的一个重要原因，就是骨骼的出现，所以要想认识自然，骨骼是我们绕不过去的一个话题。

在传统定义里，骨骼一般指动物体内或体表坚硬的组织。但本书作者为我们展示了更加广义的骨骼，比如树木的枝干其实是植物骨骼，硅藻的玻璃屋其实是微生物骨骼。通过这本书我们能了解，骨骼是不同物种间军备竞赛的产物，它出现后又进一步激发了更广泛的军备竞赛，从而加速了复杂生命的演化。在5亿多年的时间里，不同物种各自造就了适合自己的骨骼类型，同时又在骨骼中留下了这样或那样的珍贵信息，从而让科学家们可以从中挖掘出隐藏在过去的秘密。

骨骼的演化属于古生物学的研究范畴，本书的两位作者都是这个领域的著名学者。第一位作者是英国地质学家、古生物学家扬·扎拉斯维奇，他是莱斯特大学的名誉教授，曾担任国际地层委员会人类世工作组组长；第二位作者是英国古生物学家马克·威廉姆斯，他在莱斯特大学担任古生物学教授，还是“云南重大生物演化事件及古环境”国际合作联合实验室主任。

那么接下来，就让我们在两位古生物学家的带领下，通过三个部分来认识自然界不可思议的骨骼。

第一部分我们先聊聊，骨骼是什么时候出现的，生物为什么要演化出骨骼？第二部分我们继续说说，自然界中千奇百怪的骨骼各自都是怎样演化的？最后一部分谈谈，通过骨骼我们能挖掘出哪些过往的秘密？

让我们先聊聊，骨骼是什么时候出现的，生物为什么要演化出骨骼？

伟大的生物学家查尔斯·达尔文很早就发现了一个奇怪的现象，那就是在寒武纪及以后的岩石层中，古生物的化石遗存非常丰富，但在比寒武纪更古老的岩石层中，却几乎没有什么生命的迹象，达尔文原本期待能看到更古老的化石，但他看到的仿佛是一个没有生命存在的世界。寒武纪好像成了一道界线，在此之前一片死寂，在此之后生机勃勃。那到底是什么原因，造就了这种突然间的改变呢？

你肯定已经猜到了，这和骨骼有关。我们今天能看到的古生物化石，基本上来自古生物的骨骼部分，这是因为在化石形成的过程中，生物身上的软体结构很难留下来。所以在骨骼出现以前，地球生命虽然已经存在了30多亿年，但这些生命要么是个头非常微小的单细胞生物，化石得用显微镜才能看到，要么是没有骨骼的简单软体生物，软趴趴的，很难形成化石。因此达尔文在看那些比较古老、骨骼出现以前的岩层时，才发现不了其中的生命迹象。

那最早的骨骼是什么时候出现的呢？目前人们已知最早拥有骨骼的动物是克劳德管，它以美国地质学家普雷斯顿·克劳德而得名。克劳德管的形状是一个个形状不规则的弯曲圆管，体形很小，最多几毫米宽、几厘米长，它们最早出现在距今5.5亿年前，已经非常接近寒武纪这个时间节点。科学家们通过分析发现，克劳德管的管状结构应该是由方解石构成的，而方解石的成分本质上是碳酸钙，因为海水中富含碳酸根离子和钙离子，所以克劳德管骨骼的取材很方便，它们可以很轻松地通过某些生物化学机制，来把海水中的这些离子转化成自己的骨骼。

不过，克劳德管为什么要敢为天下先，发明出骨骼这个前所未有的结构呢？另一种化石的出现，或许能给我们解释。有时候，古生物活动留下的活动痕迹也可以形成化石，而和克劳德管同一年代的岩层中，存在着很多前所未有的潜穴化石。潜穴化石记录了古生物在海床的沉积物中穿过或搅动时留下的痕迹，这些化石的出现意味着，当时有些生物已经有了钻洞的能力，这种能力意味着什么呢？

在保存完好的克劳德管化石中，大约五分之一有着疑似受到过钻洞攻击的迹象，比如壳体上会有一些圆形的穿孔。所以科学家们推测，克劳德管的骨骼很可能是一种盔甲，作用是保护自己免遭捕食者的伤害。

有了攻击的矛，就有防御的盾，骨骼的出现意味着生物间的军备竞赛翻开了新的一页。克劳德管出现后不久的5.4亿年前，发生了著名的寒武纪大爆发。今天绝大多数动物的祖先，在很短的时间内迅速出现，就像达尔文看到的那样，一片死寂突然变成了欣欣向荣。

自此之后，拥有骨骼的生物迅速从原来的一两种，增长到数不清多少种，著名的三叶虫选择用骨骼保护自己，而当时的顶级捕食者奇虾则把坚硬的骨骼当作捕猎武器。另外，还有大量未知物种在死后留下了形态各异的化石，科学家们将之统称为“小壳化石”，泛指各种微小的纽扣状、管状和壳状化石，大小也就几毫米。虽然今天我们很难分辨出这些化石到底都属于谁，但可以确定的是，涉及的物种数量非常多，可见从寒武纪开始，骨骼就已经迅速地在不同物种间普及开来了。

回顾这段历史不难发现，骨骼最早可能只是某些生物用来保护自己的盔甲，但随后很快就成了帮助生物在激烈的生存竞争中存活下来的利器。这种快速普及其实不难理解：要想打败装备精良的敌人，最好的办法就是装备上更精良的装备。因为骨骼对地质岩层的影响太过巨大，所以从某种意义上讲，其实连寒武纪这个地质年代，都是由骨骼定义的。骨骼的时代从那时就已经开始，一直持续到今天。

寒武纪大爆发前后的一段时间，骨骼完成了从无到有的跨越。而在此之后，不同物种又结合自己的生存需求，各自演化出了不同类型的骨骼。那么接下来的第二部分，我就带你了解一下，自然界中千奇百怪的骨骼，各自都是怎样演化的。

正如刚才所说，最早出现的骨骼很可能是一种防御性武器，用来保护动物自身不受伤害，所以骨骼出现以后，包裹在动物身体外侧、具有防御功能的外骨骼，顺理成章地就成了动物骨骼中最重要、最主流的形态。很多动物都有外骨骼，比如常见的软体动物、节肢动物，还有鲜为人知的外肛动物、帚虫动物等等。其中最有代表性的当数节肢动物，它们的家族规模非常庞大，包括昆虫、螃蟹、蜘蛛，还有早已灭绝的三叶虫在内的上百万个物种。

在外骨骼的帮助下，三叶虫一度成为寒武纪最成功的动物，以至于今天几乎已经成了古生物化石的代名词。之后节肢动物又在外骨骼的帮助下，成为最早一批从海洋走向陆地、又从陆地飞上天空的动物。它们在大约4.25亿年前登陆，比内骨骼动物早了大约5000万年，又在大约4亿年前飞向天空，更是比内骨骼动物早了1.7亿年。如今，拥有外骨骼的昆虫仍然是地球上种类和数量最多的一类物种。在所有这些进化的里程碑上，外骨骼都厥功甚伟。

不过，虽然外骨骼有这样那样的好处，但它也有致命的缺陷，那就是会限制动物的体型。虽然在很多科幻作品里存在着巨型的昆虫怪兽，但至少在地球上，外骨骼不可能支撑起大个头的生物。为什么呢？

这其实是一个工程学问题，因为动物要想生长，外骨骼必须也得随之生长，可动物该怎么带着个壳子生长呢？有些动物，比如贝类，它们的解决方案是不断在现有外壳的边缘上长出新壳，但最大的贝壳类动物长度也只有1米多。另外一些动物，比如蜘蛛和龙虾，它们的身体完全被外骨骼包围，只能通过定期的蜕壳来让身体不断增大，但蜕壳期间它们会变得很脆弱，容易受到攻击；再加上随着体形的增大，它们的骨骼重量会以更快的速度增加，很容易压垮动物的内部组织。所以对体形稍大的动物来说，外骨骼都不是一个好的解决方案，于是它们选择了内骨骼。

和外骨骼相比，内骨骼的诞生时间稍晚，而且最初是一种非主流的骨骼结构，这或许是因为内骨骼没法像外骨骼一样，起到防御攻击的作用。所以目前发现的早期内骨骼动物个头都很小，作者推测，这可能是它们躲避捕食者的一种策略。但从长远来看，因为不用受到外壳的束缚，所以内骨骼动物有着更大的生长潜力。

内骨骼动物是一个庞大的家族，其中最主要的一类是脊椎动物。脊椎动物对内骨骼进行了大范围、长时间的创新，首先是材质上的创新。从早期鱼类开始，有些鱼类的体内就演化出了磷酸钙材质的内骨骼，相比于外骨骼动物更常用的碳酸钙，磷酸钙有很多优点，比如它比碳酸钙更坚硬，在面对酸化的海水时更难溶解，而且因为磷是生物必需的关键元素，所以磷酸钙骨骼还可以充当元素的储备库，在有需求时供给身体使用。由此可见，在骨骼材料方面，脊椎动物已经往前迈进了一大步。

同时它们还根据需求，用不同的组织搭建了拥有不同性能的内骨骼。脊椎动物的骨骼主要由四种组织组成：第一种是我们最常见的骨质，虽然看起来只是一块块骨头，但骨质其实是一种活的材料，内部含有骨细胞，还有形成血细胞的内部骨髓；第二种组织是软骨，它们坚硬而有弹性，是早期鱼类体内的主要骨骼，如今也很常见，比如鲨鱼体内的骨骼主要就是软骨，人体的关节也离不开软骨；最后两种组织是牙本质和牙釉质，我们的牙齿就是由这两种组织构成的。这些组织的搭配，大大拓展了内骨骼的功能。

在改良材质、增加种类的基础上，脊椎动物还在骨骼结构方面进行了大量创新，从而逐渐掌握了演化的主动权。最先出现的重大创新当数颌骨，也就是我们俗称的下巴。没错，最早的脊椎动物是没有颌骨的，直到4.4亿年前的志留纪早期，原始鱼类身上才终于演化出了颌骨，颌骨的出现让脊椎动物有了撕咬、咀嚼和张嘴发声的能力，这无疑大大强化了它们在面对其他物种时的生存优势。

接下来的重大创新，是四肢骨骼的出现。现在所有拥有四肢的脊椎动物，都演化自一种名叫肉鳍鱼的鱼类。这种鱼的鱼鳍很特别，主要由肌肉和骨骼构成，肉肉的，不像今天常见鱼类那种薄膜状的鳍，反而很像迷你版的胳膊和腿。后来有些肉鳍鱼从水中走向陆地生活，就是在用这种肉鳍来支撑身体行走。四肢由这些肉鳍演化而来，正是在这些四肢骨骼的支撑下，脊椎动物才最终征服了陆地。

登上陆地后，飞向天空就只是时间问题，而在掌握飞行技能的过程中，脊椎动物再次改进了自己的骨骼。翼龙是第一种拥有主动飞行能力的脊椎动物，因为体形很大，为了飞起来，翼龙就得有一双巨大的翅膀，它们的解决方案很有创意。翼龙上臂骨和下臂骨加起来只占前肢长度的1/3，但它们的第四根指骨格外细长，撑起了翅膀剩下的2/3，有些翼龙的翅膀还会连到后肢，大幅增加了翅膀的表面积。为了减轻飞行负重，翼龙的很多骨骼是中空的，同时为了保证强度，骨骼的内部还有很多支柱和扶壁，所以翼龙的骨骼是强度又高重量又轻。后来的鸟类和哺乳类中的蝙蝠，也都是飞行能手，它们的骨骼构思和翼龙大同小异，比如都很注重轻量化，都改进了自己的上肢骨骼来支撑起翅膀，等等。

脊椎动物对内骨骼的创新还有很多，因为时间有限，我们就不一一介绍了。刚才我们提到了骨骼的定义，一般指动物体内或体表坚硬的组织，按照这个定义，骨骼是动物的特有结构。但作者认为，从广义上看，其实植物和微生物也有自己的骨骼。比如树木的枝干就是它自身的坚硬组织，而且起到支撑作用，所以我们完全可以把骨骼的定义进行延伸。

先来说说植物骨骼。如今地球上最高的树木能长到100多米，重达几千吨，如此庞大的身形，必须有坚实可靠的骨骼才能支撑起来，那植物骨骼又是什么时候出现的呢？

目前已知最古老的植物出现在约8亿年前，但直到4.7亿年前才演化出最早的植物骨骼。这些植物骨骼是以微小的孢子形式存在的，材质非常坚韧，能起到保护孢子的作用。而目前已知最古老的会向上生长的植物是库克森蕨，它本质上是一根有分支而且能进行光合作用的茎，直径只有约1毫米，高不过几厘米。要说真正高大的树木，最早则出现在约3.9亿年前的泥盆纪中期，这是一种名为瓦蒂萨的枝蕨类植物，可以长到8米高。到了约3亿年前的石炭纪中期，地球上的森林树木迎来了爆发式生长，大量奇形怪状、体形高大的树木迅速出现，它们生长又倒下，留下的骨骼对地球气候产生了深远影响。

都有哪些影响呢？首先，木质组织的主要成分是有机物，它们在生长时会大量吸收碳元素，一旦倒在沼泽里深埋地下，就相当于把空气中的碳封存了起来，这能有效地缓解地球的温室效应，降低大气温度，并最终让远离热带的极地形成大片冰原。同时，植物为了争夺光照开始互相竞争，它们长得越来越高大，不经意间为动物提供了层次更丰富的栖息地，间接促进了动物的演化。植物的根系深扎地下，累积起了厚厚的土壤层，还改变了地表河流的流动走向。最后，这些植物骨骼深埋地下，变成了今天的煤炭，巧合地又成了驱动人类科技进步的重要燃料。可见，植物骨骼对后世的影响是非常深远的。

除了动植物以外，微生物其实也有骨骼，而且真要算起来的话，历史还要悠久得多。科学家们在距今32亿年的岩石中，提取出过非常古老的微生物化石，它们的体形很小，主要呈球形，外面有一层复杂而又坚韧的有机外壳，这可以看成是地球上最古老的微生物骨骼。有理论认为，这很可能是古微生物在面对恶劣环境时，用来自我保护的一种结构。

在后续的演化过程中，微生物骨骼的选材体现了充分的创造力。比如海洋中常见的有孔虫，它们既可以用自身制造的有机物搭建骨骼，有时也会往这些有机材料里嵌入泥沙颗粒，还有些则会从海水中提取碳酸钙来制造骨骼。除此以外，有些微生物还会用二氧化硅，也就是玻璃的主要成分来制造骨骼，最典型的就是硅藻。硅藻是海洋中非常重要的生产者，提供了海洋中近一半的基础食物供应，虽然体形微小很不起眼，但在显微镜下，硅藻的二氧化硅骨骼能焕发出夺目的七彩光芒，堪称微生物界的艺术品。

地球生命从不缺乏创造力，动物、植物、微生物都根据自己的需求，演化出了千姿百态的骨骼。这些骨骼既是生物生存的必备结构，同样也是蕴含着宝贵信息的科研宝库。那么最后一部分我们就聊聊，通过骨骼能挖掘出哪些过往的秘密。

同位素分析是研究古生物的重要工具，通过检测化石中元素同位素的含量，我们能得到很多有用信息。举个例子，通过分析氧同位素的含量，我们能还原古代某个时期的温度变化情况，原理并不复杂：自然界中有3种氧的同位素，分别是氧16、氧17和氧18，它们之间的比例和环境温度有关，其中氧17比例太小，一般不考虑，所以我们只要检测化石里氧16和氧18的比例，就能反推出古生物生活年代的环境温度。

在寒武纪和奥陶纪的岩层中，大量存在着一种叫牙形石的化石。科学家们通过分析这些牙形石里的氧同位素，发现寒武纪时期热带海洋的海面温度很高，竟然达到了40摄氏度，相比之下，今天热带地区的海面温度只有约30摄氏度，可见当时比现在暖和不少。这种高温持续了数千万年，直到后来的奥陶纪中期，海水温度才逐渐降低到和今天差不多的水平。

那该如何解释温度的这种变化呢？化石给了我们一个可能的答案。科学家们发现，海洋沉积岩中的古生物骨骼数量，从奥陶纪开始便迅速上升，或许正是因为大量的生物骨骼封存了碳元素，降低了大气中的二氧化碳含量，减轻了温室效应，才让地球温度降低到一个相对适宜的水平。

除了回溯温度，我们还可以通过化石探究过去的年月长短。随着时间的推移，地球的自转速度在不断减慢，现在的一年有365天，那在远古时期，一年又有多少天呢？海洋生物的骨骼同样记录下了数据。因为潮汐的季节性变化会对海洋生物的生长造成影响，所以只要检测它们的骨骼化石，就能还原出当时的潮汐规律和年月长短。通过分析一种3.6亿年前的古珊瑚化石，科学家们发现，当时的一个月有30.6天，一年有13个太阳月，所以一年约有398天，可见和今天的差别确实还挺大的。

把时间范围拉近，通过分析近几百年的动物骨骼，我们还能非常精确地还原短期的气候变化情况。1868年人们在冰岛海域捕获了一只长寿的海洋圆蛤，据推测，这只圆蛤大约出生于1494年，一生经历了300多个春秋。通过分析人们发现，圆蛤骨骼透露出的信息量非常丰富，比如在这只圆蛤300多岁时，也就是公元1816年到1818年间，它的生长速度突然变得十分缓慢，而历史上的1816年恰好是一个“无夏之年”，没有夏天，因为印尼火山大喷发释放的火山灰严重遮挡了阳光，让1816年成了过去500年中最冷的一年，这恰好和这只圆蛤的生长情况形成了对应。

圆蛤骨骼里隐藏的这些信息对我们非常重要，因为这些骨骼提供的记录可以追溯到公元15世纪以前，这时人们还远没有开始科学地进行气候记录。原本缺少的气候数据，如果能在动物骨骼中找到相应线索，就能大大丰富我们的环境观测数据，提升我们对气候的预测能力。

动物骨骼能为我们解释自然的秘密，而人类骨骼则可以帮我们还原历史的真相，让我们了解很多历史书中没有记载的内容。比如2012年，英国的考古人员在一个停车场下面，发现了英国金雀花王朝最后一任国王理查三世遗失已久的遗骸。通过对这副遗骸进行化验分析，人们几乎还原了理查三世一生的经历。

这是怎么做到的呢？还是同位素分析立了大功，只要结合不同骨骼的各自特性，同位素分析就能提取出许多细节。比如人的牙釉质是在小时候发育完全的，所以分析牙釉质中的同位素，可以还原一个人的成长经历，其中锶同位素能用来判断一个地区的地理位置，氧同位素能还原一个地区的降雨模式。理查三世牙釉质中的同位素表明，他7岁时更换了自己的居住地，从出生地北安普顿搬去了一个雨水更充沛的地方，可能是威尔士边界的勒德洛。

同样地，通过分析那些童年以后还继续生长的骨骼，比如牙本质里的同位素，我们还能继续还原他后来的生活环境。分析结果显示，理查三世在中晚年阶段又搬到了一个更干燥的地方居住，他牙齿中的铅元素也表明，他生活的年代，空气、土壤已经不如以前干净了。最后，因为肋骨可以在人一生中不断修复，所以通过分析肋骨中的碳、氮同位素，人们还能还原出遗骸主人生前的生活习惯。比如研究人员发现，理查三世的饮食很丰富，他喜欢吃野禽、淡水鱼，还喜欢喝红酒。理查三世可能怎么也不会想到，自己的一生竟然被自己的骨骼忠实地记录了下来，并且以这种方式展现给了后来人。

好，说到这儿，这本书的精华内容就讲得差不多了，简单总结一下。

我们首先聊了骨骼是什么时候出现的，生物为什么要演化出骨骼。目前发现最古老的骨骼化石，是距今5.5亿年的克劳德管，后来从5.4亿年前的寒武纪大爆发开始，拥有骨骼的物种数量迅速增加。科学家们推断，骨骼最早可能是生物用来保护自身的防御性武器。

接下来我们聊了，自然界中千奇百怪的骨骼各自都是怎样演化的。动物骨骼可以分为外骨骼和内骨骼两大类。外骨骼出现得更早，物种数量超过百万，但体形普遍较小；内骨骼后来居上，在脊椎动物身上进行了材料、性能和结构等多方面的创新，成为高等动物演化的重要基础。植物骨骼和微生物骨骼虽然不属于传统定义中的骨骼，但同样非常重要。植物骨骼大幅改变了地球的生态环境，给人类留下了宝贵的化石燃料；微生物骨骼则记录下了最古老的生命遗迹，打造了最绚丽的微观世界。

最后我们谈的是，通过骨骼能挖掘出哪些过往的秘密。以同位素分析为代表的检测手段，能提取出骨骼中记录的丰富数据，自然领域的温度变化、年月长短、自然灾害，人文领域的历史往事，都可以在骨骼中找到对应记录，骨骼是历史的真实见证者和诚实记录者。

作者在书中提到的一个数字，给了我很大震撼，那就是如今陆地上野生脊椎动物的总重量，还不到人类和人工饲养动物总质量的5%。这意味着野生动物已经被极度边缘化，是人类占据了对陆地脊椎动物骨骼的绝对支配权。而且人类对骨骼的改变程度也堪称巨大，比如在人为育种的选择下，不同品种犬类的骨骼形态相差之大，让它们几乎看不出来是同一个物种；速生肉鸡从出生到被宰杀，一生只有六个星期，它们的骨骼生长速度极快，但和鸡类祖先的骨骼比起来，可谓是千疮百孔、畸形又脆弱。这样来看，今天人类似乎已经从大自然手中接过了骨骼塑造的主导权，但我们能用好这种权力去造福自己、造福自然吗？或许这是自然留给人类的一道考题。

以上就是这本书的精华内容。你可以点击音频下方的“文稿”查看全文和脑图，你还可以点击右上角的“分享”按钮，把这本书免费分享给你的朋友。恭喜你，又听完了一本书！

划重点

1. 科学家们推断，骨骼最早可能是生物用来保护自身的防御性武器。

2. 动物骨骼可以分为外骨骼和内骨骼两大类。外骨骼出现得更早，物种数量超过百万，但体形普遍较小；内骨骼后来居上，在脊椎动物身上进行了材料、性能和结构等多方面的创新，成为高等动物演化的重要基础。

3. 以同位素分析为代表的检测手段，能提取出骨骼中记录的丰富数据，自然领域的温度变化、年月长短、自然灾害，人文领域的历史往事，都可以在骨骼中找到对应记录，骨骼是历史的真实见证者和诚实记录者。