從38億年前地球上誕生第一個生物，到如今生命之樹枝繁葉茂，這顆星球經歷瞭滄海桑田的宏大變遷，生命的演化也走過瞭嘗試與失敗、創新與變革的漫長旅程。研究這段漫長的歷史，揭示生物演化的奧秘，對於我們理解生命的意義、共同維護地球生態系統意義重大。
近日，在全國政協教科衛體委員會組織開展的“科普走進生活”讀書群活動中，委員們圍繞“科普中國·生物和演化”開展學習討論。多位在相關研究領域享有盛譽的科學傢委員為我們揭開“生命演化”的奧秘。
為讓讀者更多地瞭解這些知識，特摘編部分委員的發言。
從寥寥幾個到數以千萬計
全國政協委員 徐星
中科院古脊椎動物與古人類研究所研究員
生存在當今地球上的約1000萬種生物都源自約40億年前的一個共同祖先，這個祖先物種不停分化，形成新的物種。一方面，新物種不停地出現；另一方面，已有物種不斷地滅絕；有時滅絕規模巨大，以至於地球上生存的大多數物種在較短時間內都消失瞭。規模最大的五次滅絕事件被稱為“大滅絕”，最後一次是6600萬年前的恐龍大滅絕。有研究認為當今世界已經進入第六次大滅絕。不過總體而言，地球上的物種多樣性一直在增加，物種數量從40億年前的寥寥幾個到今天的數以千萬計。
物種多樣性形成過程中，伴隨著形態、生理和行為特征復雜性的增加。我們熟悉的各種生物結構、生理特征和行為現象，像眼睛和四肢，冷血和熱血，飛行和哺乳，就是在這一漫長演化過程中出現的。
與此同時，許多支系的生物依然保持著簡單性，和它們幾十億年前的祖先物種相差無幾，許多支系的生物甚至化繁為簡，出現退化現象。比如，生活在洞穴的許多生物視力明顯退化，有些物種甚至退化瞭眼睛；再比如寄生生物，包括幫助我們消化的腸道菌群出現瞭明顯的結構簡單化現象。我的理解這與適應性相關，也就是自然選擇當中的生態選擇。但反之，如果功能需要，一些退化的結構也能重新出現，這彰顯瞭演化的復雜性。
演化生物學的核心是生命之樹的重建，也就是盡可能多地發現地球上曾經出現過的物種，理清它們之間的譜系關系，確認每個支系的主要特征，復原每個支系出現的時空歷史，以及推測不同支系之間的生態關系。
目前，通過DNA等分子數據和宏觀形態等表型數據，基於現代系統學方法，並結合多個學科的數據和方法，我們對生命之樹的形成歷史已有大致瞭解，建立瞭一套從微觀到宏觀的演化理論。
但許多問題依然存在：生命之樹的一些框架性問題尚無明確答案，一些重要生物類群在生命之樹上的位置也存在爭議，甚至像病毒和其他生命形式之間是什麼關系這樣重要的問題也沒有確切答案。另外，近年來越來越多證據顯示，除瞭自然選擇和遺傳漂變，物種形成可能還有其他驅動機制，這些不同驅動機制的作用和關系也是需要進一步研究的問題。
從“微生物生態學登月事件”說起
全國政協委員 黃力
中科院微生物研究所研究員
2018年秋天，我去韓國釜山參加一個關於深海微生物的小型國際研討會。那天上午，一位名叫Imachi的中年日本學者作報告。與別人不同，他上臺時拿著一堆道具。Imachi非常自豪地告訴我們，那是他用傢裡廚房洗碗用的海綿剪成方塊、穿成串（看似糖葫蘆）後做成的實驗器材。
他的團隊將海綿串垂直放置在一個充滿甲烷氣體的玻璃管中，再讓無菌海水自上而下緩慢流經海綿串。利用這套裝置，他們模擬海底環境，讓海綿串吸附泥沙沉積物（沉積物中自然生活著形形色色的微生物）。
在花費12年時間，用掉瞭4000升海水後，他們成功獲得瞭一種註定引起轟動的奇特微生物——阿斯加德古菌（Asgard archaea）。Science雜志將該發現評為2019年十大科學突破之一，宣稱阿斯加德古菌“似乎可以揭示我們所有人的最終祖先”。該成果也被稱為“微生物生態學的登月事件”。
微生物是地球上最古老的生命。20世紀30年代，有人將地球上的生物（嚴格說應該是細胞生物）分為兩大類，即真核生物和原核生物。真核生物包括人、動物、植物等，其細胞中有細胞核；原核生物則是微生物中的細菌，其細胞中沒有細胞核。到瞭20世紀70年代，又有人發現，原先認為的細菌實際上包含兩大類生物，一部分還是細菌，另一部分則是古菌（因經常發現這些生物生活在與早期地球環境相像的極端條件下而得名）。
因此，按照目前的認識，地球上存在三種生命形式，即真核生物、細菌和古菌。在這三種生命形式中，作為微生物的細菌和古菌分佈最廣、生物多樣性最豐富，在地球重要元素循環中發揮關鍵驅動作用，維護著地球生態系統。
但有一個問題，自然界中絕大多數微生物（>99%）的純化活體（術語叫純培養）目前還很難獲得，這些微生物被比喻為“暗物質”，人們隻能通過采集環境樣品，提取其中微生物DNA的碎片、分析這些DNA碎片的序列特征，來推測這些樣品中存在哪些微生物種類。研究發現，環境樣品中通常擁有很多不同的微生物類群。而Imachi等的實驗實際上就是逐步去除樣品中生長較慢的微生物類群，最終獲得純的活體優勢微生物類群的過程。因此，不難理解為什麼該成果的發佈引起學界如此巨大的反響。
Imachi的報告讓人聯想很多：日本科學傢的這一壯舉依靠的並非是尖端設備和大量經費投入，而是想象力和堅守。尤其令人贊嘆的是，他們執著開展的是一個長期沒有產出、最終可能一事無成的嘗試。
我國科學傢近年來在阿斯加德古菌研究中成果豐碩，發現瞭該傢族的多個新成員，並且用“悟空”命名瞭其中的一個成員。但是，願意嘗試獲得純化活體細胞的人卻還不多。顯然，我們亟須進一步弘揚“甘坐冷板凳”的精神，培育與此相適應的科學文化，這樣才能讓此類具有裡程碑意義的重大成果在我國頻繁湧現。
當然，尋找真核生物祖先的努力不可能因為阿斯加德古菌的獲得而結束，未解之謎依然很多，隻有找到並認識更多目前尚未發現的、更接近真核生物的古菌，才有可能揭開真核生物起源的奧秘。
大氣中的氧氣1/2來自海洋藻類
全國政協委員 徐旭東
中科院水生生物研究所研究員
藻類生物聽起來好像離我們有點距離，但其實有一些是大傢所熟知的。譬如，在太湖、巢湖、滇池造成水華的主要是不同種類的藍藻，再如我們吃的海帶、紫菜，引起青島“綠潮”的滸苔，分別屬於褐藻、紅藻、綠藻。
藻類生物形形色色，分為十多個大門類。有些藻類的個體僅有一個到數百個細胞，需要用顯微鏡才看得到；而最大的藻類，譬如海洋裡的巨藻，長度可達數百米。
藻類對人類生存環境的形成貢獻巨大。
地球上最早出現的光合放氧生物就是藍藻，大約在23億年前由於藍藻在海洋中的繁盛導致大氣中積累氧氣。也就是說，如果沒有藻類的出現，大氣中就沒有氧氣，也就不會出現有氧呼吸的生物。
可是，大傢的印象裡，氧氣不是靠植物進行光合作用釋放的嗎？實際上，現今大氣中的氧氣大約有一半來自陸地上的植物，還有一半來自海洋裡的藻類，其中又有一半來自藍藻，一半來自矽藻。重點是，海洋裡的矽藻也好，陸地上的植物也好，它們用以進行光合作用的葉綠體都是從藍藻演化來的。
大約在距今15億年前，一種真核細胞吞噬瞭藍藻，被吞噬的藍藻在這種細胞中定居下來，成為細胞內的“共生”居民。這樣，真核細胞就獲得瞭光合作用的能力。之後，這種帶有藍藻“內共生體”的真核細胞演化出三個支系，一支成為綠藻，一支成為紅藻，一支成為灰胞藻。
再後來，綠藻又分化出若幹支系，其中一支在大約5億年前登陸，分化出苔蘚和蕨類兩支，從蕨類又先後演化出裸子植物、被子植物，成為現今地球上森林、草原的主角。
與此同時，單細胞的紅藻被另一種真核細胞吞噬，演變為新的宿主細胞中的內共生體。從這種二次內共生的細胞分別演變出瞭甲藻、矽藻、褐藻等類群。其中矽藻也是現今地球環境中氧氣的主要貢獻者之一。
藻類和高等植物的光合作用在釋放氧氣的同時還固定二氧化碳，轉化成有機質，對於穩定大氣中二氧化碳的濃度和全球氣候起到十分關鍵的作用。
藻類對地球環境的影響還有許多方面。譬如，藻類釋放出的二甲基硫醚，進入大氣中氧化為硫酸鹽，促進生成雲凝結核，通過雲的反射、折射遮擋陽光，降低地表溫度；再如，矽藻吸收矽酸參與形成其細胞壁，在海洋中繁殖和沉積，形成矽藻土，是矽元素在海洋中循環和歸趨的關鍵驅動者；再如，陸生藍藻在荒漠地區結皮固沙，大大加速瞭植被的恢復。
總之，地球環境滄桑巨變，孕育出藻類生物，藻類的演化、繁盛又反過來對地球環境產生瞭巨大的影響，為人類的生存繁衍創造瞭適宜的條件。
每一種生物都值得我們學習借鑒
全國政協委員 童金南
中國地質大學（武漢）地球科學學院教授
地球上的每種生物都有其時間屬性。據記載，現今地球上的生物已被發現和命名的大約有180萬種，但仍有大量未被發現或識別出來，估計總數在300萬-1000萬種。而曾經在地球上生活過的古生物可能超過50億種，但其中99.9%已經滅絕。可見生物的發展歷程也是生物快速更替的歷史，因此古生物學者最能體會和理解生物的進化特征。
關於生物進化的動力和型式，一般要考慮三個層次的差異性，即在居群層面的微進化、物種層面的成種作用和物種之上的宏進化。
微進化的動力是變異與遺傳之間平衡選擇，其中變異是一種創造性因素，遺傳是一種穩定性因素。沒有變異，生物隻能產生同樣的物種，就沒有進化；沒有遺傳，生物就沒有相對穩定性，變異就不能保存，也不可能有進化。而自然選擇則決定瞭生物進化的方向，即使得有利於生存的變異得以遺傳保存下來。
通常說來，自然選擇的結果是使得居群內的遺傳物質朝著更有利於適應外界環境方向的改變。居群內微進化的積累將導致新物種的形成，而物種的選擇和進化方式則表現在宏進化上。
在古生物學教學中，生物進化內容是對學生思想啟迪教育的最好素材之一，因為當今地球上生活著的每一個生物都是經歷瞭30多億年生死淘汰和不斷進化的產物，因此它們能夠生存到現在，都必定有值得我們學習和借鑒的地方，哪怕是最簡單的微生物（甚至我們正經歷的新冠病毒），都值得我們珍重和去認真研究並借鑒（因此我認為“仿生學”是最值得我們重視的領域）。
從地質時間尺度上看，我們可以認為生物與環境不僅持續相互作用，而且具有協同演化關系。關於這一點，一些現代生物學者可能不認同，因為從現今人們可觀察時間尺度上看，生物明顯受控於環境，而生物對環境的影響和改造作用是十分有限的，甚至在短時間尺度上是可以忽略不計的。但是如果我們從地球的發展歷史來看，如果沒有生物，我們的地球肯定不會具有今天的面貌。不僅今天的綠色地球是生物創造的，而且當今的地球大氣圈、水圈和表層巖石圈等“宜居地球”環境，都是地球生物的傑作。
因此我們說，生物與環境並不是完全對等的協同演化關系，即環境對生物的作用是直接且短期見效的，而生物對環境的影響和改造是長期和間接的；尤其從長時間尺度來說，它們仍具有顯著的“協同性”。認識到這一點，對於我們當代生態環境治理和生態文明建設，尤其是可持續發展將具有重要意義。
我們可以將“生態”和“文明”分別理解為生物和人類進化形成的兩個系統，即自然界的“生態系統”和人類社會的“文明系統”。生態系統是生物與環境協同進化過程中產生的一種動態平衡系統，它是生物與環境的高度和諧統一體，因此它優於常規非生命的物理系統和化學系統。而文明系統則是由人類社會自律活動形成的規則統一體，其受制於人類智力社會活動。如果能夠借鑒自然生態系統的動態平衡規律，來科學指導人類文明系統的建設，建立人—地和諧關系和構建人類命運共同體，將有助於地球全人類的和諧共生發展。
人類如何從“魚”演化成“人”
全國政協委員 王元青
中科院古脊椎動物與古人類研究所學術委員會副主任
現在的地球上，與我們人類共同生活的有大約150多萬種動物、大約38萬種植物，這些生物，不是從地球誕生之日就存在於我們這個奇特的星球之上的，而是生命在地球上經歷瞭大約38億年漫長演化（或進化）的結果。
當然，在紛繁復雜的生物演化歷程中，人類最感興趣的恐怕還是與我們自身來源有關的脊椎動物的演化。
在“從魚到人”的演化歷史中，發生瞭一系列關鍵性（或者說革命性）的事件：
1.脊椎動物的起源：最早的脊椎動物是以5.4億年前（寒武紀早期）昆明魚、海口魚為代表的魚形動物，它們的出現奠定瞭後來脊椎動物本質特征——具有脊椎，這是我們人類能夠挺起腰桿的物質基礎。
2.頜的出現：最原始的脊椎動物沒有上、下頜，嘴巴不能像常見的脊椎動物那樣開合。口部不能閉合，稱為圓口，現在以七鰓鰻和盲鰻為代表的圓口綱仍屬於這種類型。在大約4.2億年前（志留紀晚期），魚類有瞭上下頜，這帶來瞭脊椎動物取食方式的革命，也使未來發展出語言交流成為可能。
3.由水登陸：3.65億年前(泥盆紀晚期)出現以魚石螈為代表的兩棲動物，用具趾的四肢替代瞭魚類的鰭，成為最早登上陸地的脊椎動物。這一變化使脊椎動物的運動方式發生瞭根本改變，拓展瞭脊椎動物的生存空間，對後來恐龍、哺乳動物等在陸地生態系統中占據主導地位奠定瞭基礎。
4.帶殼的羊膜卵出現：魚類和兩棲類（蛙等）需要將卵產在水中才能完成繁殖。而龜、鱷魚、鳥類則可以把蛋產在陸地上，羊水提供瞭胚胎發育的水環境，蛋殼則能有效地防止水分流失，使繁殖過程擺脫瞭對水的依賴。這一革命性事件大約發生在3.15億年前的晚石炭世（石炭紀晚期），羊膜動物（產羊膜卵的動物）因此成為真正意義上的陸生動物。
5.哺乳動物的興起：哺乳動物與恐龍大致同時出現在地球上。在恐龍等爬行動物統治地球的中生代，哺乳動物經歷瞭包括從卵生到胎生、哺乳動物中耳形成在內的一系列生理和形態特征的改變，具有瞭適應環境變化的優勢，靜等在恰當時機爆發。可以說萬事俱備，隻欠東風。這個“東風”就是6600萬年前發生的滅絕事件，導致恐龍等大型爬行動物的滅絕，哺乳動物得以在新生代主導陸地生態系統。
6.靈長類出現：大約5600萬年前，我們人類所屬的哺乳動物類群——靈長目在地球上出現。這類動物具有發達的大腦、雙眼匯聚的立體視覺等特有的特征，真正開啟瞭脊椎動物向人類進化的征程。
7.大約600多萬年前，能夠被稱為人類的動物在非洲出現，雖然與我們現在的人還有一定的區別，但它已經跨過瞭猿與人界線的門檻。
前面列舉瞭“從魚到人”的演化過程中一些最為關鍵的事件，實際上，不同的生物類群都有各自獨特的演化歷程。
地質歷史中，生物演化的一個主要表現形式是生物類群的更替，其中大的滅絕事件所造成的生物類群的更替，尤其受人關註。這些通常都與環境變化相關聯。
以恐龍滅絕為例，雖然有小行星撞擊、超大規模火山噴發等多種假說，但都歸結到地球環境變化導致恐龍等生物不能適應才最終消失。這可以作為一個例子印證生物演化的本質是生物與環境互動的觀點。
另一方面，哺乳動物能夠在恐龍滅絕之後成為陸地生態系統的主宰，與哺乳動物在中生代長期演化過程中形成的生理和功能優勢是密不可分的。
毛澤東同志1937年在《矛盾論》中指出：“唯物辯證法認為外因是變化的條件，內因是變化的根據，外因通過內因而起作用”，用在此處應該也是合適的。
原文刊登於2022年5月12日《人民政協報》第6版生態周刊
