不可思议的骨骼：支撑生命的杰作

序言

侵略了北美平原的风滚草，独角鲸那凸出在外的犬齿，翼龙的第四根指头，甲壳虫的甲壳，还有高达 5000 米的古代海底山脉头顶那刚刚浮出热带海面的珊瑚岛礁，这些东西的共同点是什么？它们都是骨骼的一种形式，是一个已经步入中年的星球上的生命体在演化的极晚期产生的杰作。

想象一下一个没有演化出骨骼的世界。我们将见不到鸟儿飞过天际，停留枝头；见不到小猫一跃而起，跳上花园的墙壁（也许就是为了抓住刚刚的鸟儿）；也见不到螃蟹快速爬过沙滩，孩童跑过操场。这些我们早已司空见惯的情景都不会存在，这个世界该多么诡异啊！但在地球生命史的大部分时间里，世界就是这个样子的。

现在的地球表面覆盖着大量的骨骼，从庞然大物到毫厘之微，不一而足。有些骨骼堆，例如澳大利亚的大堡礁，极其庞大，甚至在太空中都清晰可见。而有些骨骼则微小到只能通过高倍显微镜才得以一见，精致地展现出了来自数亿年前的微细结构。在古代，人类便一直心心念念地寻找着最壮观的骨骼标本，时至今日，这些骨骼仍旧散发着令人敬畏的力量。从另一个角度看，这些经年累月储存在岩石层中的骨骼，正在控制地球上一些最重要的化学循环，也成了维持地球宜居气候的重要力量。

在本书中，我们将从多个角度探究骨骼，并详细地介绍那些由矿物质组成的，曾帮助生命改造我们所在星球的骨骼。我们将从远古遗迹中观察骨骼的创新，看看微小的细胞是如何为自己搭建“脚手架”的，看看这些细胞的“脚手架”又如何一步步演变成如今我们熟悉的骨骼的样子。我们会解释骨骼形成的不同途径，还会向你们展示这些“生命的框架”如何造就了生物在外貌、体形、大小和生活史对策方面极丰富的多样性。

以骨骼为切入点来观察地球上的生命，有助于我们找到许多深奥问题的答案。为什么骨骼是由某些特定元素组成的？为什么有的动物的骨骼在外面，而有的动物的骨骼在里面？骨骼为动植物带来了哪些优势？骨骼又为生命体实现了什么样的生活方式？复杂的生物网让地球上的海洋、陆地和空气活跃了起来，给这些生物安上“框架”以后，它们又是如何“重塑”地球的呢？

骨骼又是如何帮助人类的呢？那些恐龙和海洋爬行动物的骨骼，可不只是为博物馆增色，还能让我们得以瞥见地球那古老又令人激动的过往。骨骼还曾是农民使用的工具，虽然农民使用它们的方式普通而实用，且足以让古生物学家为此感到沮丧。如今，我们从技术上增强了自己的骨骼，也构建了新的能让我们探索这个世界和其他世界的骨骼。在这种情况下，科学家可以通过研究已演化了几亿年的骨头和壳的结构，获取为我们的社会构建新的物质结构的灵感。

在人类眼中，骨骼自古便是意义深远的图腾，象征着死亡和永恒。毫无疑问，这种联想让骨骼更加充满魅力。在本书中，我们会提到一些科学家，他们发现并研究了那些壮观的，或是活的，或是化石形式的骨骼，并致力于解答地球上那些事关生命和死亡的谜团——生命是如何繁荣和发展起来的？在那些建造骨骼的能力周期性失效的时候，生命又是如何崩析的？

随着地球逐渐衰老，骨骼的未来在何方？从太阳这颗恒星不可阻挡的演化历程来看，依附于地球的这场特定的生命实验，还能再持续约 10 亿年。因此，关于地球上的骨骼故事，还有时间发展出新的篇章。就在我们写下这个故事的同时，新的篇章似乎已经开始。我们这个世界的骨骼结构似乎即将重演远古时期的灾难，历史上的噩梦又将再现，而这也是我们留给后代的“礼物”。

然而，与此同时，我们正在产生非凡的新事物。如果未来地球上的骨骼是由金属、塑料、硅以及重组的组织和骨头制成的，那么世界会变成什么样呢？也许，那些新发明的生命骨骼框架能帮助我们前往遥远的恒星和行星，与有着不同骨骼框架的不同生命体邂逅。经过过去几年跌跌撞撞的探索，如今，这种对我们的世界或其他世界的漫长冒险，也许会在人们的预感和期待下成为现实。不管最终这些冒险会带领我们去向何方，不管骨骼会发展成什么模样，它们都会为未来的演化搭建“框架”。它们会长久地存在下去，继续讲述生命的故事。

多大是大？

骨骼中的“大”是一个相对概念。对于一只微小的单细胞有孔虫（阿米巴虫有壳的亲戚）来说，直径超过 1 厘米的骨骼，便是大的骨骼。但就是数十亿这样“大”的有孔虫——被称为货币虫——骨骼堆积在一起，形成了建造埃及吉萨金字塔所用的石灰岩。不过，因为我们自己是脊椎动物，所以从这个角度来说，我们人类往往对巨大的脊椎动物印象深刻，例如巨大的蓝鲸。最大的蓝鲸体长超过 30 米 ( 图 7）。如果单从身长的角度来说，有些恐龙比蓝鲸还要大。南美白垩纪的阿根廷龙的身长可能近 40 米。这些“巨型”动物，它们的骨骼都是长在身体内部的。

那么，对于那些骨骼长在身体外部的动物而言，它们最大能长到多大呢？根据经验，答案似乎是 3 米。这个答案是针对全身覆盖外骨骼而言的。如果外骨骼在演化过程中缩小或消失了，那么约束条件变松，动物就能长得更大。大王酸浆鱿（这真的是这种动物的学名）是一种巨型软体动物，体长可近 14 米。它的祖先是有外骨骼的。如今的大王酸浆鱿也有骨骼，只不过它们的骨骼已变成了内骨骼——因形似罗马士兵的短剑，人们称其为“罗马短剑”。大王酸浆鱿的体形真的十分巨大，比最大的大白鲨（体长超过 6 米）还要大。不过大王酸浆鱿主要是触手很长，它的躯干只有 2~3 米长。

为什么从人类的视角看，有着外骨骼的动物一般体形都比较小呢？

这其实是一个工程学问题。骨骼支撑着身体的各个组织，包括一些比较重的结构组织，例如主要器官。同时骨骼还要为肌肉提供附着点。动物生长的时候，骨骼也会随之生长，从而使得支撑结构变得更厚。这就出现了两个明显问题：那些有着外骨骼的动物，如何带着外骨骼生长呢？这种本质上中空的管状外骨骼，又是如何持续地支撑着动物的身体的呢？

对于那些拥有开放式外骨骼的动物（例如软体动物）来说，第一个问题很容易解决，因为随着它们的生长，它们的壳体也会增长。像散大蜗牛（又称庭园蜗牛）这种腹足动物会在壳体上长出新的螺圈，而双壳动物，例如扇贝，则会在边缘长出新的壳。不过即便如此，值得注意的是，现存最大的双壳动物大砗磲， 其体长通常也只有 1 米多。而远古时期最大的双壳动物白垩纪史氏叠瓦蛤，可能是大砗磲的两倍大。

对于节肢动物来说，它们的组织则是完全被外角质层包裹住的，例如蜘蛛和龙虾。因此，在壳上长出新的螺圈，或在边缘长出新的壳，并不能解决第一个问题，而且也是不可能实现的。对于节肢动物，尤其是陆地上的节肢动物来说，这是一个大问题，因为它们在生长过程中必须蜕去外骨骼，从而形成新的更大的外骨骼。这时候的节肢动物十分脆弱，很容易受到攻击。这可能也是节肢动物整体的体形都较小的其中一个原因。因此，在《X 放射线》中，被巨型蚂蚁攻击的洛杉矶当局什么都不用做，只要等着蚂蚁们蜕壳，然后就可以轻而易举地干掉它们。

除此之外，这些巨型蚂蚁还要面对一个重大问题：随着它们的体形越来越大，它们身下的腿会被压扁。这些巨蚁的骨骼是薄薄的中空结构，本质上是一根细长管子包裹在蚂蚁那六条细小的管状腿之外。这就是问题所在。电影中受辐射变异的蚂蚁，其体形增大了 1 倍，体重增加了 8 倍，但是它们那中空的管状腿无法承受增加的体重。于是唯一的办法便是增加骨骼厚度，可是这又会让骨骼变得太重，从而使蚂蚁的肌肉衰竭。可怜的蚂蚁！洛杉矶的市民们不会充满恐慌地逃向四面八方，洛杉矶城内只会出现这种虽然可怕但无害的场景：满地都是瘫倒在地上的、蜕了一半皮的、腐烂的巨型节肢动物尸体。当然，那只 30 米高的塔兰图拉毒蛛将会处于更加悲惨的境地。

如果《X 放射线》和《狼蛛》的制片人选择有很多条腿的巨型马陆——虽然这种生物并不像巨蚁和狼蛛那样令人恐慌——也许更说得通。至今最大的陆地节肢动物是节胸蜈蚣——一种能长到 2 米多的马陆。庆幸的是，它只生活在 3 亿年前的石炭纪热带丛林中。节胸蜈蚣曾被认为是一种凶猛的掠食者，不过它更可能是一种有着温和口器的植食性动物。那么，节胸蜈蚣是如何长到那么大的呢？可能有几个原因。首先，根据它的体形大小可以推断，在它所处的石炭纪，节胸蜈蚣可能鲜有天敌。毕竟，在“殖民”陆地的过程中，节肢动物是赢在起跑线上的。在数亿年前的志留纪晚期，节胸蜈蚣的祖先便是移居陆地的先锋队。因此，它们早就适应了石炭纪的环境。此外，石炭纪大气层中的氧气含量很高，可能高达 35%，更有利于大型陆地节肢动物。虽然我们不知道节胸蜈蚣的呼吸系统到底是什么样的，但是根据现存马陆的呼吸系统类推，它很可能通过每节身体的外骨骼上两对与气管系统相连的微小表面瓣膜或气门进行呼吸。它的气管系统本身就是一系列由外骨骼内陷形成的，从而直接将氧气输送到动物的组织内。在节胸蜈蚣身上，它的气管系统很可能连接着贯穿全身的长管状心脏。陆地节肢动物的这种气管系统，并不能像脊椎动物的肺或者鳃那样有效地将氧气输送到各个组织。这也是它们体形受限的另一个因素。

然而，节胸蜈蚣并不是有史以来最大的节肢动物。这顶桂冠属于两种水栖动物：其一是来自泥盆纪的一种巨大“海蝎”，名叫耶克尔鲎（Jaekelopterus）；其二是现存于日本的甘氏巨螯蟹（Macrocheira kaempferi，也称日本蜘蛛蟹）。耶克尔鲎是一种生活在 3.8 亿年前泥盆纪晚期的恐怖生物。虽然是一种“海蝎”，但是它生活在欧洲和北美的淡水湖中。它的身体可长达 2.5 米，螫角（爪子）长近 0.5 米。这样的体形足以让它成为一个以鱼和其他节肢动物为食的高效掠食者。日本的甘氏巨螯蟹看起来也像 20 世纪 50 年代美国恐怖电影中的怪物，但实际上并没有那么凶猛。如果算上附肢，它便是体形最大的节肢动物，爪和爪之间的距离可达惊人的 5.5 米。为了达到这样的体形，巨螯蟹避免了管状中空腿部骨骼和增长的体重之间的冲突。它的身体并不大，只有 40 厘米长，而它的腿却非常瘦长。

这也是为什么在抹香鲸和大王鱿那史诗般的深海大战中，鲸鱼总是能在“触手和下颌”的战斗中获胜。如果算上肢体，甘氏巨螯蟹和大王酸浆鱿体形都十分庞大，但是它们的身体只能保持较小的形态。拥有外骨骼便无法长出庞大的身体，至少从陆生脊椎动物的角度来说是这样的。但是大量采用了这种骨骼形式的动物，或者那些后继采用了这种骨骼形式的脊椎动物，例如豪猪、刺猬和甲龙都表明，外骨骼是很有用的，其不仅是一种支撑结构，还能成为动物的盔甲。

5 亿多年前，地球上的生命在演化过程中迈出了不可思议的一步，生物学会了建造骨骼。它们使用许多不同的材料，碳酸钙和磷酸盐，甚至是二氧化硅，来制造外壳和骨骼，它们开始创造支撑结构，这些结构现在对大多数生命形式都至关重要，可以提供刚性和强度。它们以各种各样的形式展现出来，为复杂的生命网络提供了框架，这些生命网络决定了海洋、陆地和大气的演化。

在《不可思议的骨骼》中，两位作者从最小的种子虾到巨大的恐龙和蓝鲸，从最早的细菌群落叠层石到大堡礁，从外骨骼到内骨骼，探索了各种各样的骨骼创新，这些创新使生命得以扩展到地球上各种各样的环境中。同时，讨论了气候变化的影响，使某些骨骼的形成面临风险。他们还将未来的骨骼考虑在内，包括我们可能会越来越多地将金属和塑料元素融入我们自己的骨骼中，以及在其他行星上建造骨骼的可能材料。

本书将是一次跨越数亿年的骨骼探索之旅，带领读者走进不可思议的骨骼世界。

扬·扎拉斯维奇（Jan Zalasiewicz），地质学家，莱斯特大学名誉教授，国际地层委员会人类世工作组组长。在科学期刊发表文章超过百篇，并著有The Earth After Us (2008)、The Planet in a Pebble (2012)等多部作品。

马克·威廉姆斯（Mark Williams），古生物学家，莱斯特大学古生物学教授，云南大学“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。

★ 人类世工作组组长扬•扎拉斯维奇+古生物学家马克•威廉姆斯合作作品

★ 古生物学者、科普作家邢立达精心审校

★ 从最小的种子虾到巨大的恐龙和蓝鲸，从最早的细菌群落叠层石到大堡礁，从外骨骼到内骨骼，多角度审视那些由矿物质组成的，曾帮助生命改造我们所在地球的骨骼

★ 讲述地球上数亿年规模的骨骼演化故事，探索令人难以置信的各种骨骼创新，并预言技术骨骼将如何塑造我们星球的未来

★ 折叠护封，背面展开为10种动物骨骼手绘图海报

★ 风趣的语言与专业的知识相得益彰

5亿多年前，地球上的生命在演化过程中迈出了不可思议的一步，生物学会了建造骨骼。在本书中，两位作者探索了各种各样的骨骼创新，这些创新使生命得以扩展到地球上各种各样的环境中。同时，讨论了气候变化的影响，使某些骨骼的形成面临风险。他们还将未来的骨骼考虑在内，包括我们可能会越来越多地将金属和塑料元素融入我们自己的骨骼中，以及在其他行星上建造骨骼的可能材料。本书将是一次跨越数亿年的骨骼探索之旅，带领读者走进不可思议的骨骼世界。