根据我们的日常生活经验,判断哪些生物是动物,哪些不是,是轻而易举的。走在城镇里,我们会遇到猫、狗、鸟、蜗牛和蝴蝶,我们将所有这些都认定为动物。同时,我们也会毫不迟疑地确定,我们看到的树木、花草和菌类不是动物,尽管它们也是生物有机体。而当我们开始考虑一些不那么常见的生物,其中很多是微生物的时候,定义或识别“动物”就变得困难了。因此,为回答“动物是什么?”这个问题而寻找精确标准是有帮助的。在译林出版社最新出版的《动物》中,牛津大学动物学教授彼得·霍兰为我们开启了一场现代视角的动物王国之旅。
从海绵到鲨鱼,从马陆到哺乳动物,动物世界五花八门,包罗万象。近些年来,通过对DNA的分析、对演化和发育的研究,我们对动物生物学的理解有了很大提升。彼得·霍兰,牛津大学动物学林纳克教授,牛津大学莫顿学院研究员,从事动物界演化研究逾20年,致力于通过基因组的演化来解释动物多样性的演化方式。著有《发育生物学基础》
《发育机制的演化》等。彼得·霍兰的新作《动物》介绍了我们对动物世界和动物演化的最新理解,由动物的定义开端,我们开始认识动物的高级分类(门),了解关于动物演化关系的新观点,明晰每类动物的生物学特征。并探讨了动物学界的核心议题,如现代演化树和动物的起源等。
(刘杰/图 轩视界)
什么是动物?如何给动物分类?世界上我们最熟视无睹的东西,往往最难定义,也最难分类。彼得·霍兰在本书章就开宗明义地专门讨论了“动物是什么”,其内容不仅新颖翔实、精彩丰富,而且堪称“惊艳”。书中写道:“身体由多个细胞构成,这是一个必要条件,但仅此并不足够。同样的特性也存在于植物、真菌和黏菌等一些其他生物中,但它们都不是动物。动物的第二个重要特征是,它们获取生命所需能量的方式是吃掉其他的生物体,或生物体的一部分,这些生物体可能是死的,也可能是活的。这与绿色植物刚好形成对比,绿色植物利用太阳能在叶绿体内进行光合作用这一化学反应。有些植物将进食作为光合作用的补充(如捕蝇草),有些动物的体内有活的绿藻(如珊瑚和绿水螅),但这些基本不会模糊本质上的区别。动物经常被提及的另一个特征是,动物具有移动和感知环境的能力。动物确实如此,但我们不能忘了,很多植物也有可以移动的部位,而细胞黏菌(并不是动物)可以形成一个缓缓移动的鼻涕虫形状的结构。能产生精子和卵细胞是动物的另一个典型特征,虽然不同动物的精子和卵细胞大小相差很大。这一特征对动物行为的演化有着深远影响,但并不是一个能被轻易观察到的特征。也许只有仔细检查成年动物的细胞时才会发现高度一致的结构特征。尽管动物有很多不同类型的细胞,但有一类细胞影响了整个动物生物学和动物界的演化。这类细胞便是上皮细胞,它呈块状或长柱状,没有植物细胞那样的细胞壁。上皮细胞排列在一起形成柔韧的一片,相邻的细胞通过特殊的蛋白质连接在一起,还有其他的蛋白质封填细胞之间的缝隙,形成一个防水层。细胞层也存在于植物体内,但结构非常不同,而且韧性较小,更容易透水。无论是在功能上,还是在结构上,动物的上皮细胞都是极其重要的。上皮细胞可以控制上皮层两侧的液体的化学成分,容许动物创造出充满液体的空间,以支撑身体或汇集废物等。充满液体的空间是动物最早的骨架结构之一,促使了动物体格在演化过程中增大,同时也促进了动物的高效能运动。”所有这些特征,都是我们用来识别动物的标准,我们也以此为基础,进一步了解动物的基本生活规律和现象。
关于动物的起源,彼得·霍兰爬梳资料,给出了自己的阐释:“1866年,美国显微镜学家、哲学家、生物学家亨利·詹姆斯·克拉克指出,确定属于动物的海绵,其饲养细胞与一类鲜为人知的单细胞水生生物十分类似,这种生物当时被称作鞭毛纤毛虫。今天,我们称这类微生物为领鞭虫,DNA序列比较证明,它们确实是所有动物最近的近亲。领鞭虫和海绵的饲养细胞在一端都有一圈纤细的触须,这就是‘领’,它们的形状就像是小小的羽毛球,不过在领圈的中央探出一根长长的鞭毛(一种可以移动的鞭状的结构)。领鞭虫的鞭毛在漂荡或击打时形成水流,食物微粒被带向细胞的方向,然后被领圈捕捉。海绵的饲养细胞运作方式与此不同,但同样使用鞭毛来形成水流。因此,所有动物最近代的祖先可能是一个微细胞球,其中的每个细胞都有一根鞭毛。动物界的起源涉及一系列变化,这些变化促使单细胞生命向微型水生细胞球转变。请记住,动物并非地球上唯一的多细胞生物:植物、真菌、黏菌都是多细胞生命形式。然而,这些群体不是来自同一个祖先。它们是从不同的单细胞生物各自演化而来的。多细胞植物与动物(或领鞭虫)没有密切的亲缘关系,它们的演化过程构成生命树上一个完全不同的分支。真菌类如蘑菇、啤酒酵母和足癣,也和植物相去甚远,它们也是从自己的单细胞祖先演化而来的。下面这一说法可能令人惊讶:真菌及其祖先与动物和领鞭虫属于生命树的同一分支,一个被称作后鞭毛生物的群体。后鞭毛生物的多细胞演化发生了两次,一次动物诞生,另一次真菌诞生。我们与蘑菇的关系,比蘑菇与植物的关系更加密切,这个认识发人深省。”
(李正军/图 轩视界)
接下来的两章,作者彼得·霍兰深入讨论了动物的分类与演化。在书中,作者简要回顾了千百年来古代博物学家们与哲学家们探索动物分类与演化所走过的艰辛之路,从亚里士多德、邦纳、居维叶、拉马克、海克尔到达尔文和华莱士,人们眼见着“自然阶梯”的立起,又眼见着“自然阶梯”的倒塌……现代分子生物学、新达尔文主义和演化发育生物学相结合,才使我们对动物的分类与演化,有了全新和正确的认识;按照动物之间亲缘关系的相近程度对其进行分类,也才如实反映了动物的演化图景,因为亲缘关系相近表明它们之间有着血缘关系较近的共同祖先。本书作者把目前所知的动物按其相互的亲缘和演化关系分成了33个动物门,便于我们清晰地了解动物界各大类群的起源、机能、结构、演化和相互间的关系,而且他的论述极具趣味性。如果说160 多年前达尔文在《物种起源》里提出的“生命之树”的概念是石破天惊的伟大发现的话(尽管还比较粗略),那么经过其后数代生命科学家们的不懈努力,本书作者已经成功地把这棵巨大的“生命之树”的枝叶和轮廓描绘得相当清晰、丰满和动人。
余下的第四至第十章,作者系统而简要地介绍了整个动物界从无脊椎动物到脊椎动物的各大类群的起源、演化与系统亲缘关系,在如此短小的篇幅里充满了如此丰富的硬核内容,这彰显了作者对基本材料和前沿研究的熟稔、内容剪裁的得体和叙述节奏的从容,整本书读来深入浅出、引人入胜。作者是知名分子遗传学家,在介绍和讨论“发育工具包”、古老基因组、Hox基因(同源异形基因)和演化发育系统生物学等方面的知识时,所用比喻形象、恰当、有趣,如描述细胞卵裂的排列时用堆橘子作比,将囊胚(肠道)的形成过程比喻成手指被推入一个冲了气的气球。
《魅力无穷的动物》作为最后一章,既是对全书的精辟总结,也展望了未来动物学研究的愿景。本章的开篇引语是美国前国防部长拉姆斯菲尔德关于“已知与未知”的那段脍炙人口的名言,作者试图告诉读者,科学研究是无止境的,我们对“魅力无穷”的动物界虽然已知甚多,但未知更多。作者还列举了一些未来需要进一步探索的问题和方向。正如他在结尾所指出的:“我相信,以动物学史的眼光来看,我们此时恰好次拥有了一棵可靠的动物多样性演化树。然而我们必须记住,这棵系统发生树只是生物学研究的起点……只有有了系统发生树的可靠框架,我们才能以有意义的方式比较动物物种之间的解剖构造、生理、行为、生态和发育,而这正是洞察生物演化模式和过程的路径。”
彼得·霍兰以精湛的专业知识,充满活力和热情的叙述方式,带领我们参观了整座艺术宫殿的全貌。中国科普作家协会优秀科普作品金奖得主苗德岁称赞道:“总之,这是一本近年来我所读过的极为罕见的优秀动物学科普著作。尽管‘牛津通识读本’系列中的众多书籍,从没有一本真正让我失望过,我不得不说,这是我所读过的最好的几本之一,并适合广泛的读者群—专家和外行读后,均会受益匪浅。而且,这是一本值得反复阅读的书,它将成为我的枕边书和案头书之一,甚至成为我的‘沙漠或荒岛之书’的备选图书。”(读者报全媒体记者 何建)