眾所周知，人類是由猴子進化而來的，可很少有人知道，猴子的祖先其實是一種小型的哺乳動物，小型的哺乳動物的祖先又是一種爬行動物。所以，要想了解古生物學和人類的進化史，或許我們要從四億年前的魚說起……

出品："SELF格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）

以下內容為中國科學院古脊椎動物與古人類研究所盧靜演講實錄：

人是猴子變來的，猴子的祖先其實是一種小型的哺乳動物，小型的哺乳動物的祖先又是一種爬行動物。

追溯到4億年前，人類的祖先是一條魚，一條爬上陸地的魚，這就是我研究的主要內容，研究到底是哪一條魚最後爬上了陸地。

爬上陸地是非常艱難的一件事情，一條魚要爬上陸地，首先魚鰭會變成四肢，從鰓呼吸變成肺呼吸，身體所有的結構都會發生翻天覆地的變化。

正是在4億年前有那麼一條勇敢的魚爬上了陸地，才有了我們現在的四足動物，有了我站在這裡。來一起認識一下這些4億年前的魚。

研究化石腦的原因

對於魚來說，所有身體的變化裡面，魚的腦的演化是最重要的，這也是為什麼我們要研究化石腦的原因。

我們研究化石腦，不是因為我個人的偏好，而是因為脊椎動物的腦及其所有神經組成了一個非常重要的結構，這個結構統稱為中樞神經系統。

這個神經系統對於脊椎動物來說，是最重要的結構，所以我們需要了解它到底發生了什麼變化，最後讓魚可以變成人類。

為什麼研究化石腦（中樞神經系統）呢？因為我們的腦，在我們的祖先還是魚類的時候，也是最早的脊椎動物出現的時候，就分為5個部分，到現在依然是5個部分；脊椎動物剛開始出現時擁有12對腦神經，到現在依然是12對腦神經，這些都是有同源性，可以進行比較的。

魚的不同的骨頭，有的很多，有的很少，有的癒合了，有的分得很開，我們比較骨骼很難得出演化的結論，但是研究化石腦，我們可以知道脊椎動物最重要的結構是什麼樣的。

這是一個現代鯊魚的腦，另外一張是4億年前的、現在已經滅絕的盾皮魚類的腦，看看它們是不是非常像？我們現在要研究腦，但腦是軟體的，所以到底怎麼研究化石腦呢？

其實我們研究的並不是腦的軟體的這一部分，而是腦印在身體骨骼上的硬膜部分，我們把這個部分叫作顱內膜，研究化石腦其實就是研究顱內膜的演化。

這是瑞典非常著名的生物學家林奈，他為生物界做出了一個非常重要的貢獻，那就是他發明了生物的雙命名系統。

我站在這兒，可以把我叫作人，也可以把我叫作現代智人，這是我的學名，也是你們的學名。諾貝爾獎是在哪兒頒獎呢？瑞典。

連續磨片機的誕生

瑞典是很有科學氛圍的國家，20世紀20年代的時候，瑞典出現了一批非常重要的科學家，他們用當時最先進的儀器——連續磨片機，對化石腦顱進行研究。

簡單說，這些科學家把最先進的方法用到了研究化石上，進行了非常精細的比較解剖學工作，當時瑞典也成為了全世界做古生物研究最出名的一個地方。

這張照片上是當時瑞典學派幾個主要的創始人，他們是瑞典學派的4個巨頭，他們主要做的研究工作是：利用連續磨片機把化石磨成很薄很薄的一片，然後對它拍照、繪圖，最後再用蠟制模型的機器，重建出來一個完整的化石的腦顱，這樣就可以用來進行研究了。

這也是當時最先進的方法，他們用這種方法研究了各種各樣的早期脊椎動物，那段時間這些瑞典科學家提出了很多非常重要的假說，比如，四足動物是怎樣起源的。

三孔理論假說是錯誤的

這是1967年瑞典學派最鼎盛時期的照片，這裡面有一張東方面孔，她是張彌曼院士，這張照片是她第一次到瑞典求學時拍的。

去年她獲得了一個非常重要的獎——「世界傑出女科學家獎」，這是聯合國教科文組織頒發的。因為「她開創性的工作為水生脊椎動物向陸地的演化提供了化石證據」。

這句話可能聽上去有點繞了，她到底做了什麼工作呢？這要從她在瑞典學派開始求學的時候講起。

1967年張老師首次來到了瑞典，因為各種原因，她在1980年重新返回瑞典繼續她的博士研究。

當時她的導師是瑞典學派幾個著名創始人之一雅維克，雅維克做了一件非常重要的事情，他把一個最重要的，當時認為是魚到四足動物祖先的一個中間過渡類型，叫真掌鰭魚的魚。

用連續磨片的技術，對它的腦顱進行了研究，並且寫了一本非常重要的傳世經典，現在我們的教科書裡面依然在用他的研究。雅維克做這項研究用了25年。

張老師回到瑞典跟著雅維克繼續學習，這個時候她研究的是什麼呢？她從中國雲南帶來了一個大概2.8厘米的肉鰭魚的化石頭骨，這個魚叫楊氏魚。

她做的工作就是把這個2.8厘米的頭骨一片一片磨下來，磨成了大概500多張片子，然後重建它的腦腔，在這個過程當中她有了一個重要發現。

雅維克過去曾經提過一個有關四足動物起源的學說——三孔理論，作為我們祖先的魚要爬上陸地，需要用內鼻孔呼吸，其實隱藏在嘴巴里的顎部有一個鼻孔，這個就叫作內鼻孔，內鼻孔是四足動物能夠爬上陸地最先決的條件。

雅維克的重要理論提出了四足動物的三孔起源假說，意思就是說，魚一般是有兩對外鼻孔的，爬上陸地的那隻魚不僅有兩對外鼻孔，還有一對內鼻孔。

在張老師的研究工作中，她把楊氏魚，也就是雅維克認為是四足動物直接祖先的那個魚，做了連續磨片，磨到了它的鼻囊，就是鼻孔這個位置。

結果她發現，楊氏魚有兩對外鼻孔，但是她沒有在楊氏魚身上發現內鼻孔，這意味著像楊氏魚這樣的魚類根本就沒有內鼻孔，也就意味著雅維克提出來的，當時一直在學界占主導地位的假說，三孔理論假說是錯誤的。

雅維克每天都會去看張老師的工作，他看到這些工作的時候，心裡也在慢慢地接受這個結果，但是他還是很不開心的。

他看到張老師工作的時候，他走過來就會對張老師說一句話，他說:「That is enough.」意思是說：夠了，你做得已經夠多了，你已經證明我是錯的了。

張老師做的工作確實否定了雅維克過去提出的理論，但是科學就是擺事實，講證據，我們不能因為他是權威，就要接受他的觀點。

雅維克有一天特別生氣，他指著這條魚說：「This is a devil fish（這是一條惡魔魚）。」張老師說：「惡魔魚不錯。」

正好她從中國帶來另外一條標本，那條魚是一個新的魚，還沒有命名，就命名為「惡魔魚」吧，所以就有了Diabolepis，也是一種非常重要的魚。

我們中文沒有把它翻譯為魔鬼魚，我們把它叫作奇異魚，因為它是一種很有意思的魚。

這是張老師過去做的一些研究。這是當時她用楊氏魚做出來的磨片，以及重建的腦腔，還有最右邊的是張老師做的楊氏魚蠟制模型的標本。

如果感興趣的話，可以到我們研究所旗下的中國古動物館，地址在西直門外大街142號，在一樓展廳里，就可以看到這件標本。

這就是我剛剛講到的魚，這是一條普通的魚，它有兩對外鼻孔，和我們是不一樣的。

通過張老師的研究，就知道了我們的祖先是由一種只有一對外鼻孔和一對內鼻孔的魚類演化而來的，而不是像楊氏魚以及其他的肺魚型的魚演化而來的。

CT技術重振化石腦的研究

剛剛講的是我的老師們是怎麼用當時的最先進的方法研究魚腦的，這是20世紀20年代到80年代最主流的研究方法。

但是20世紀80年代之後，沒有人再這樣研究了，因為化石實在是太寶貴了，有時候我們發現的腦化石就一件，不可能把它磨成一片一片進行研究。

所以，自從20世紀80年代以後，我們的這一部分工作基本上就陷入了停滯狀態，直到有位研究人員，他用了一項新的技術——CT技術，研究我們的化石魚的腦，這個時候我們的研究才重新興起了。

去過醫院都知道核磁共振，就是把你放到一個台子裡，然後有一個機器會轉360度，這個時候會獲得一些你的切片圖像。

醫生通過你的切片圖像，就可以知道你的身體哪裡是正常的，哪裡有病變，我們在化石研究中也應用了相同的技術。

接下來我們看一段視頻，這是一個4億年前的魚的腦，我們將其CT掃描之後，對它的腦進行了重建

現在攝像頭進到了它的腦腔裡面，上面是它的腦腔，下面是它的鼻囊，它的兩隻眼球非常清楚。

這是我要介紹的一個化石，這也是我讀博士時研究的一個材料，它非常小，大概1厘米左右。

這條魚是非常適合做CT掃描的，2007年我們還沒有自己的CT機器，便把它帶到澳大利亞進行掃描。

這是魚頭掃描的切片，這是一個連續切片，現在出現的左右兩邊是它的鼻囊，接下來可以看到鼻囊癒合在一起，中間形成了它的大腦，所有的內部結構都非常清晰。

當時，我們暗暗下定決心，回國之後也要研發自己的CT機器。2010年，我們所和高能所以及自動化所合作研發了幾台CT機器，其中225Micro CT是用來掃描小標本的，450CT是用來掃描大標本的，這樣我們就可以用自己的儀器做實驗了，而且也得到了很多好的結果。

這是我們掃描的各種各樣的化石，從魚到各種標本。

2015年，我們又研發出來一台新的CT。很多化石是板狀的，板狀的化石在CT機里是穿不透的，所以我們研發了專門掃描板狀化石的CT機器，用來掃描板狀化石，在各個很重要的刊物上都發表了我們的相關文章。這樣，我們研究化石腦的方法就多了很多。

研究新時代：虛擬古生物學

現在我們進入了一個新的時代，研究虛擬古生物學，過去我們是拿著化石進行實體研究，現在則是把化石掃描之後，在計算機里對它進行重建、分析，進行數據分析、處理等，這就叫虛擬古生物學。

現在這個手段已經是我們古生物學的一個常規研究手段了，可以說我們比很多學科都更多地應用了CT技術。

通過磨片機製作的連續磨片，我們能獲得很少的腦，有了CT機器之後，我們可以重建出大量的腦，包括早期脊椎動物的腦，所有的這些腦的信息結合在一起，就為我們探討魚類的腦的演化提供了非常重要的證據。

我講一個演化中的實例。這是我剛才講到的，我的博士論文研究的內容，後來也被證明是最古老的四足動物支系當中的魚類代表。

圖片中黃色的部分是它的腦腔，紫色的部分是它的感覺管。我在這裡想要強調的是橙色部分，三角形的，是它的垂體，它的垂體最前端有一對像角一樣的突起，舌頭狀的突起。

這對舌狀突起，在所有的不管是現生魚類還是化石魚類中，我們都沒有找到。當時我們一直很困惑，這到底是什麼東西？但很有意思的是，我們在現生的四足動物——墨西哥鈍口螈的垂體裡面找到了相似的突起。

墨西哥鈍口螈也叫六角恐龍，它是寵物市場裡常見的可愛寵物。這一對突起是非常重要的結構，因為它為魚類爬上陸地提供了直接的證據。

魚類爬上陸地之後，會有日出日落，有晝夜交替、四季變化。過去在水裡生活，這些變化與在陸地上很不一樣，魚類是不用適應的，但是一旦爬上了陸地之後，就必須適應這些變化。

腺垂體結節部就是控制這個變化的中樞。都聽過腦白金，腦白金裡面起作用的是褪黑素，而腺垂體結節部裡面最主要的就是褪黑素。它就好像是水龍頭的開關一樣，把它擰開，整個通路可以繼續。

腺垂體結節部裡面的褪黑素通過這樣的方式，為四足動物（包括人類）適應季節性的繁殖、晝夜交替等，起到了非常重要的作用。

過去，我們一直認為魚類是不存在腺垂體結節部的，因為它不需要，然而我們在最早的四足動物支系中的魚類的腦垂體裡面發現了這個部位，意味著魚類在爬上陸地之前，有一些適應陸地的特徵就已經形成了。

就好像前端的這一對突起，在它還是魚類的時候可能沒有用，但是當它爬上陸地後，所有的褪黑素都集聚在這個地方，執行了調節的功能，這就是演化中的預適應現象。

舉一個簡單的例子，我們是從肉鰭魚進化而來的，這是一種非常有意思的化石魚，它的偶鰭是肉質狀的，裡面含有像我們的胳膊一樣的骨頭。

其他魚的魚鰭裡面是沒有類骨骼的，而肉鰭魚類，它的偶鰭裡面是有類骨骼的，正是有了這種形式的魚鰭，最後演化成了後來的四足動物。

因為爬上陸地需要用魚鰭來支撐自己的體重，所以肉鰭起到了非常重要的作用。有意思的是，在它爬上陸地之前，肉鰭就是執行一個簡單的游泳功能，跟爬上陸地沒有半點關係，一旦環境改變了，肉鰭就有了演化的機會，變成了我們的四肢，這就是肉鰭魚類的肉鰭作為預適應的一個經典例子。

3D列印與古魚類研究

我想講一點比較有意思的東西。3D列印應該都聽說過，這種技術可以用在很多研究領域，我們也把3D列印用在了魚類研究中。

這個手上捧著一個大的3D列印標本的是我在澳大利亞國立大學的博士生，她拿著一個剛剛列印好的3D模型，大概有50多厘米；右下角是我女兒，她正在拼積木。

我覺得我們在玩3D列印的時候，其實跟小朋友玩積木是一樣的。通過3D列印的方式，我們可以把各種各樣動物的骨骼全部拆開，又給它組合起來，通過這樣的方式來研究動物各個骨頭之間的聯繫。

這是我們用3D印表機列印出來的，我們把上頜和下頜單獨列印了。

所以，古生物學還是蠻好玩的，我們不僅可以把3D列印技術應用於古魚類的研究中，還可以應用於恐龍、鳥類等各種各樣的研究中，其實就是等大家來開拓怎樣把這些最新的技術，和我們自己的研究結合起來。

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