在大自然的战场上,皮肤已经进化成为捕猎的武器、防守的装甲以及行动的依靠。从鱼类到恐龙,甚至我们人类也不例外。
鲨鱼是海洋中的头号杀手,它的快速游动和尖牙利齿令人闻风丧胆。它的皮肤也能给猎物造成致命的伤害。
鲨鱼皮肤的外层组织称为“盾鳞”或者“皮牙”。鲨鱼皮非常锋利,表皮上有着紧凑的菱形纹路,非常符合流体动力学原婵,仿鲨鱼皮泳衣可以有效提高运动员成绩。如果捕食者试图从鲨鱼身后发起攻击,会被鲨鱼锋利的皮肤严重划伤。
为了躲避鲨鱼,章鱼能够迅速变换形状、体色和皮肤的纹理,模仿岩石和海藻的样子。在捕食者和猎物之间的这场不断进化的“装备”竞赛中,皮肤起着极其重要的作用,这是在与捕食者的拼杀中进化而来的。
看起来皮肤只是生命体和外界之间的屏障,却有着两种非凡的件能:既可以用它攻击对方,又可以自我保护。(图1)
人们不把皮肤看作是器官,可它确文是器官。和我们的内脏不同,这种器官把我们的身体从外面包裹起来。动物的皮肤有许多重要功能,从物种的认知到交配,甚至躲避捕食者和环境的危害,都离不开皮肤。
在不断进化的动物界,皮肤有着各种各样的表现形式,经过层层进化,可以满足不同物种的不同需要。
这种进化方式令人惊奇,皮肤的基本细胞遵循着它们各自的方式,可以变成动物的毛发、羽毛,还有的变成了鳞片、趾甲、蹄和角。
但是,在最初的两亿多年里,动物皮肤的进化却是在大海中完成的。
科学家相信,地球上出现的第一种类似皮肤的结构,是在最远古的动物身上进化而成的。
7亿年前出现在地球上的水母已经拥有了某种类似的结构。水母是最早能在水中自由行动的生物之一,它的外面是一层联系紧密的单细胞表皮,能起到保护水母和对外界做出反应的作用。
它也是最先利用保护层作为进攻武器的一种生物。刺细胞能感觉到附近的猎物,然后迅速发起攻击。有了刺细胞,捕捉食物的能力大大加强,还能更好地自我保护,这使得它们拥有了更多的生存机会。
不过,水母并没有真正的皮肤。我们所说的“皮肤”最先生长在有脊椎的鱼类身上。脊椎动物的皮肤具有独特的生理结构。(图2)
鱼类进化出双层皮肤,始于5亿多年前。在进化之初,生有脊椎骨的动物取得了生存上的优势,后来,脊椎动物的群体逐渐发展壮大,遍布世界各地,包括我们人类。
鱼皮是由两层有显著区别的组织构成的,它们是表皮和真皮。
皮肤外面是坚硬的表皮。像水母的外表皮一样,形成一个与外界隔离的屏障。不过,表皮下丽的真皮就大不相同了,它非常柔软,这种令人惊讶的细胞再生系统给许多不同的皮肤结构奠定了坚实的基础。其中一种特殊结构是鱼鳞。
鳞片的产生,是由于寒武纪的大海中存在着长期严酷的竞争。当时,奇虾和巨大的邓氏鱼这些冷血杀手,经常会攻击毫无防备的猎物。
即使没有邓氏鱼,小型鱼类之间也不断进行着势均力敌的争斗。为了取得生存的机会,有些鱼类就需要某种全身的装甲。
鱼皮上鳞片的成分,跟人类骨骼、牙齿的成分基本相同。可以说,鱼类拥有像骨骼一样坚固、强健的表皮。(图3)
这种鳞片是从皮肤的底层——真皮层生长出来的,鳞片的排列很紧密,有点像房质上的瓦片。每个鳞片都紧贴在身上,不计其数的鳞片互相重叠。
不过,鱼鳞也有许多种。鲶鱼根本没有鳞还有些鱼类,它们看起来像是穿了一身铠甲。这表明,不同生活习性的鱼类,皮肤的进化方式也不同。
鱼类的生存环境以及环境中的捕食者,促进了它们皮肤的进化。大多数鱼类,不论有鳞还是无鳞,都进化出另一种生存策略。
鱼类可以分泌黏液。油滑的黏液从真皮里的腺体分泌出来,既可以避免寄生虫附着在鱼身上,又能帮助伤口快速愈合,有的还含有让捕食者望而生畏的毒素,甚至能降低水的阻力,让鱼类游得更快。(图4)
鱼皮包括表皮和真皮,加上一层黏滑的外衣,再套上一身鳞甲,这种进化方式非常有效,直到今天还保留在历史舞台上
经过两亿多年的进化,远古鱼类的后代来到陆地,它们发现,陆地上少了些捕食者,多了些食物。如果它们要继续生存,就必须进化出异常坚同的皮肤。
纵观脊椎动物的进化史,不管动物的体型发生什么变化,皮肤的作用一直在于使生物的体内组织保持稳定状态。但是,当脊椎动物走上陆地,生活环境就给皮肤提出了更高的要求。那就是:防止脱水所以说,鱼类的皮肤已经不合时宜了,要从终年湿润的皮肤进化成可以保持干燥的皮肤
3.6亿年前,皮肤光滑的四址动物从大海爬上陆地。这些四条腿的生物是由无鳞的鱼类进化成的。它们也许是爬行动物、两柄动物、鸟类和哺乳动物的共同祖先
它们的皮肤经过进化,适应了新的环境,否则,它们绝不可能在陆地上活得长久。陆地上既荒芜又干燥,最早的那批四脚生物的皮肤都很薄,而且渗透性很强,在如此干燥的地面上,它们的寿命不会很长。
为了保持皮肤的湿润,它们每隔,段时间就必须回到水里,一旦脱水,它们就会死亡。
有些动物出水的时间比较长,它们进化出了更加坚固的一种蛋白质外皮层,这种蛋白质在鱼皮中含量很多,它叫作“角蛋白”。
角蛋白无疑是进化成功的关键所在,它的出现使陆性物的数量增多,种类也更丰富。角蛋白是一种高分子有机化合物,在生物进化过程的各方面,都有它的参与。人类毛发、指甲的成分就是角蛋白。鸟类的趾甲、各种动物的角和蹄也是由角蛋白构成的。
角蛋白产生于致密的细胞群中,它可以使皮肤表面变得坚固耐磨。角蛋白像是皮肤的模具一样。
根据和它结合的成分不同,它的表现形式也有所不同。有的很柔软,像是塑料薄膜;有的很硬,像塑料杯。不管怎样,它充当了一种持久耐用的屏障。
角蛋白最先出现在两栖动物的皮肤上,而且是最需要它的地方,比如经常发生摩擦和损伤的脚掌上。
到了爬行动物时代,它们身上的角蛋白发生了更大变化。角蛋白逐渐遍布爬行动物的整个皮肤,让动物受到更好的保护,更利于生存。
爬行动物的皮肤在进化过程中,变成了抵制外界的一层坚硬的隔离物。爬行动物身上长出了鳞片,使它们在粗糙不平的地面E不易受伤。
鳞片就像是皮肤上经过变异的附肢。鱼鳞从真皮中生长出来,使鱼类很适合在水中游动。奇妙的是,爬行动物体表的鳞片是互相铰接在一起的,像七巧板一样,排列非常紧密。皮肤的表面层层重叠,展现出一种漂亮、有趣的褶皱形状。
这种有鳞的皮肤还有另一种好处,它使动物的行动极为迅速。蛇爬得越快,越具威胁性,遇险时也能很快逃命。
但在陆地上,爬行动物最怕炽热的太阳。坚硬的角蛋白鳞片即使只裂开一丝缝隙,冷血动物都会因为脱水和体液蒸发而死亡。为了完全脱离水生环境,爬行动物需要进化出一种几乎不透水的皮肤。
陆生的铜斑蛇和半陆半水生的棉口蛇是
两种毒性很强,而且非常相似的蛇,它们的柄息地相距不远,却有着不同的生活习惯。
如果把这两种蛇的蜕皮都充满水,一周过后,陆生铜斑蛇的蜕皮几乎滴水不透。而喜欢游水的棉口蛇的蜕皮却恰恰相反,几乎滴水不剩。(图5)
是什么原因,让铜斑蛇的蛇皮如此防水?原来它的皮含有一种液态脂肪,叫作“脂质”,脂质对水有排斥性。在皮肤的进化中,脂质是一个关键因素。它能把爬行动物身上鳞片的裂缝都封起来,形成防晒的密封状态。(图6)
因此,这些动物能在陆地上随意游走,不用担心会有脱水的危险。
像穿了一件表面密不透水、质量非常好的雨衣。脂质和角蛋白在皮肤的表面共同作用,生成一层致密的防水层。
铜斑蛇体表的脂质要比棉口蛇多很多,所以,它才能适应较为干旱的陆地生活。(图7)
有了这些必要的因素,经过一番进化的爬行动物就拥有了坚固且防水的皮肤。这些爬行动物在古代地球上的超大陆——盘古大陆上,一度叱咤风云。
爬行动物的后代是强大的恐龙,这种脊椎动物统治地球长达1.6亿年之久。恐龙的确是一个成功的群体,它们繁衍,变化,最终产生了许许多多不同的物种。
恐龙称霸的秘密武器,有没有可能在于它们的皮肤结构呢?
1.6亿年的漫长时间里,恐龙一直占据着食物链的最顶端。这种巨型的陆生动物和它们生存环境之问的屏障,也就是它们的皮肤,必定在其中扮演着重要角色。
不过,很难对这一点进行研究。
目前找到的大多是恐龙的骨骼。软组织极其稀少,只能用现有的榭料推测,这也是通常研究恐龙的唯一途径。软组织无法长久保存,科学家一般是依靠从骨髓上提取的信息,来推断皮肤的情况。
骨骼的确有很多内容可供研究。通过骨骼可以了解到,在恐龙时代,生存的必要条件包括自我防卫的装甲、捕食猎物的利器,以及长距离迁徙所需要的保护措施。
在恐龙的群体里,不同的种群之间也有显著的差别。皮肤则是适者生存的关键。
剑龙是一种植食恐龙,它们的牙齿都比较小。(图8)
1992年,古生物学家肯·卡朋特挖掘出目前最完整的一更剑龙化石。剑龙身上的骨板非常大,呈类似三角形的结构,骨板上还覆盖了一层皮肤。
这种石头般坚硬的骨板是剑龙自我保护的装甲,它们被用来威慑那些食肉恐龙。
翼龙很可能是剑龙的天敌,因为古生物学家在剑龙的骨骼上发现了翼龙的齿痕。另一份有力的证据是,在翼龙的骨骼上,有一些剑龙的骨板造成的伤痕,这说明,剑龙的确对翼龙发起了反抗。
在植食恐龙的体表发现的坚硬结构,是富含角蛋白的皮肤过度生长造成的结果。天长日久,紧贴着皮肤生长的骨骼让皮肤更加坚硬无比,大自然的这种新创造叫作骨化。
骨化在皮肤下面形成骨刺,它外面覆薷的材料很像人类的指甲。
今天,在恐龙的近亲——短吻鳄等几种鳄鱼的身上,我们仍然可以看到骨化的形态。一条成年鳄鱼的身上有许多骨质鳞片,厚度超过1厘米的鳞片覆盖了它大部分身体。这些鳞片的外面又包裹着角蛋白保护层,它们真的是皮糙肉厚。(图9)
但是,皮肤不仅期着更厚的方向进化。有些恐龙的皮肤上,还长出了某种柔软的东西——羽毛。(图10)
羽毛中间有一根轴,角蛋白就从轴里像细丝一样长出来。中华龙鸟的毛皮上就已经进化出简单的羽毛。
由于早期羽毛的构造十分简单,科学家认为,它们的功能不在于帮助飞行,而是用来保温。羽毛的进化,可能跟毛皮的情况类似,这也许是小型陆上食肉恐龙的一种保持体温方式。
化石向人们展示了恐龙的一身甲胄,也让人见识了地球生物身上第一种羽毛的形态。
2007年,古脊椎动物学家菲利普·曼宁受邀来到怀俄明州,对一具不可思议的三角龙化石进行研究。这种特殊的化石属于三角龙,因为在化石的一端。有一副非常漂亮的三角头骨。(图11)
三角龙是有角恐龙中最大的一种,成年三角龙的体长可达7.6米,身高足有3米。
这具化石的出土有着特殊意义,它让人们有了史无前例的发现——恐龙也有皮肤。这个发现的重要性让曼宁感到非常兴奋。
通过显微镜,曼宁看到化石中各种元素的分布情况。某些元素让他像发现新大陆一样兴奋。其中锰元素的含量较高,表示皮肤变成化石的环境温度,可能比预想的寒冷一些。把这些线索串联起来,人们对白垩纪的地球环境有了新的认识。
但是,最让人惊奇的,还是在动物的体外。他们发现,皮肤上的那些鳞片,无论在大小、形状和质地上,都有着百般的变化。
一幅崭新、清晰的三角龙图像凸显出来:从这只三角龙皮肤上的各科,鳞片,可以看出三角龙的背部几乎无一处弱点。
但曼宁发现,这种生物虽然依靠坚硬的鳞片抵御恶劣环境中的伤害,但奇怪的是,它们并没有明显的骨化现象。这种动物在霸王龙的面前简直不堪一击。
三角龙出现的时候,恐龙在地球16亿年的统治时期已经接近尾声。
在恐龙笨重的身躯下面,另一种动物正在崛起——它们是热血的哺乳动物,它们的皮肤适应性很强,能随着环境的变化而变化,在恐龙销声匿迹之后,它们大量繁殖,接管了整个世界。
它们体型较小,长期生活在世界的角落里。不过,在恐龙时代结束后,它们抓住了机遇,进化出无数新的物种。而且,皮肤的两大适应特征也保证了它们在世界各地都可以生存。
哺乳动物的皮肤和爬行动物的皮肤不一样,二者在生理学特性上是截然不同的。这种生理学上的分歧在于,它们控制体温的方式不同。
爬行动物是冷血动物,它们依靠周围的环境调节体温。当环境较冷的时候,它们的体温就下降,行动变得迟缓。当周围暖和起来,它们的体温就会上升,也更有活力了。
哺乳动物是热血动物,它们可以把体温控制在恒定的范围内。当季节变换或骤冷骤热时,哺乳动物就表现出生存的优势。
但是,挑战也同样存在,因为在极冷的环境里,像我们一样的热血哺乳动物,可能会被冻僵。
和爬行动物一样,哺乳动物的皮肤也能够作出调整。
经过数百万年的进化,哺乳动物的皮肤拥有了某些特征,包括神奇的附着物——毛发。它们可以保护哺乳动物的表皮,而且起到保温作用。
在日常生活中,毛发可以防止皮肤损伤。所以,当一只动物在森林里奔跑,或打滚的时候,不会轻易受到伤害。
哺乳动物的祖先是爬行生物,它们很可能已经进化出了毛发。
据推测,毛发最初是皮肤的一种变异体,它们从动物皮肤的各个鳞片之间生长出来,像是从砖缝里钻出来的野草。
我们把现代人的毛发仔细观察一下,从外表看来,毛发是光滑的,但其实它上面长满了毛刺,和爬行动物的鳞片一样。(图12)
所以,我们可以把头发打理成某种固定的发型,也可以顺着生长的方向,把头发梳理得比较平整。
毛发是在皮肤下面的真皮层形成的,它们的再生能力很强。哺乳动物进化出一种独
特的皮肤,这大大增加了它们的生存几率。
它们可以走在其他动物前面,去寻找新的环境。因为,恒定的体温使它们能够长途跋涉,并适应不同的气候变化。
不过,只会保暖是不行的。在某些气候环境里,它们要“冷酷到底”。
大象依靠厚实的皮肤和铁桶一般的身体,让体内的热量不会流失。在进化的过程中,大象的祖先生活在热带环境里,它们不得不面对挑战,想办法保持较低的体温。通过进化,大象的皮肤可以有效防止体温过热,像是汽车引擎的散热系统。大象薄薄的耳朵里布满了有韧性的软骨和密密麻麻的血管,由于体温升高而变热的血液,从大象的身体流经耳朵,由充分接触空气的耳朵把热量散发出去。
大象扇动耳朵,使血液温度可以降低10度左右,炎炎烈日下体温不会变得过高。经常在水中和泥巴里洗澡也有助于降温。有了这些制热和制冷系统,哺乳动物的足迹得以遍布七大洲。(图13)
但是,这并不是哺乳动物取得成功的唯一秘决。
雌性动物的皮肤发生了另一种显著变化。没有皮肤,我们就不会拥有乳腺。雌性哺乳动物有分泌乳汁的能力——通过皮肤给它们的孩子输送营养。从乳腺分泌出的母乳富含多种营养成分,靠母乳喂养的幼仔生存几率有了很大提高,母乳中的抗体也可以防止感染疾病。
哺乳行为的源头要追溯到3亿多年前,当时,包括我们在内的哺乳动物的祖先——古怪的爬行生物,是靠卵生繁殖,而不是胎生。
3.1亿年前的生物拥有一种特征,它们的汗腺分泌出某种液体,能使卵保持湿润。又过了千万年,这种像汗水一样从皮肤上滴下来的液体,营养成分越来越丰富。
今天,卵生哺乳动物只剩下三种,统称为单孔目动物。其中,人们最熟悉的是鸭嘴兽,它们仍像古代生物一样,从皮肤的毛孔中分泌乳汁。
皮肤把汗水变成了食物,腺体由分泌汗液逐渐变成了分泌乳汁,用乳汁来哺乳动物的幼崽,这是一个最令人惊叹的进化范例。哺乳动物的乳汁更加有营养,分泌系统更加精细复杂。最后,几乎每个雌性哺乳动物都拥有了乳房,乳头和高营养的乳汁。
雄性生物的乳头有什么用处呢?雄性的乳头也许没有特殊的功能,但它们在胚胎还没有区分性别的时候就开始发育,此后便保留了下来。
猕猴在小时候,一边接受母亲的喂养,一边努力学习日后可能让它们远离灾祸的知识。母乳让孩子对世界有了初步认识,将来它们都要长大,但它们离不开母亲的精心照料。所以,在吃奶的时候,它们可以学习如何获得食物,学习如何进行社交,同时锻炼在这个复杂的世界上所需要的各种技能。
皮肤向乳房的进化推动了社会化的进程,也孕育了距今200万年前出现的一种哺乳动物:人类。
在赤道附近的非洲,进化出一种与众不同的动物。它们绝不是在树阴下呆坐或者来回奔跑的猿猴,而是一种能够行走的两足动物,它们在炎热的开阔地可以逗留很长时间。
不管是狮子皮还是大猩猩的皮,都比不上人类的皮肤。人类既要赤身裸体,又要保持体温。人类在非洲异军突起,一举登上食物链的顶端。
现在,科学家相信,人类皮肤的进化突变使这一切成为可能。
人类的皮肤跟其他生物的皮肤的确大不相同。
首先,人类皮肤仍然充当着抵御外界的屏障。它保护我们的体内结构,是人体最大的器官。它的重量占我们体重的六分之一。在人体的重要功能中,皮肤扮演的角色几乎无处不在。
和所有生有脊骨的动物一样,人类的皮肤是由两个区别显著的层次组成的。外面的一层每隔28天就完全更新一次,每小时会脱落约50万个表皮细胞。死细胞和活细胞混杂在一起,可以阻挡水分、灰尘和细菌的通过。
它是种很不寻常的器官,它的构造既简单,又复杂。
黑猩猩和人类距今最近的共同祖先是原始人类,它们生活在非洲的热带气候区。样子很像黑猩猩,用四肢行走,浑身长满了毛发。
大概在600万年前,原始人类用两条后肢站立起来,成为两足动物。最早的原始人类可以说是一种直立行走的黑猩猩。能够站守并且直立行走,只是人类进化史的很小一部分。(图14)
随着各大陆人类数量的增多,另一个因素成为它们取得统治地位的关键,它们可以奔跑。人类变得更加有活力,它们的身材逐渐增高,活动能力也在增加,同时,生理需要也越来越明显。
但是,人类最初是凭借什么才可以奔跑的呢?答案在于皮肤。
在人体的解剖学特征中,至少有27处专门利于奔跑。
这些特征中最显著的是我们的臀大肌,说白了,就是屁股。人类的臀大肌非常发达。它是人体内最大的肌肉。再看看黑猩猩的臀部,就可以知道,它的臀肌非常小,甚至可以忽略不计。
我们跑步的时候,有力的臀部开始工作,让我们的躯干和双腿保持稳定,不至于棒倒。
400万年来,人类的祖先一直用双腿行走,不过,那些直立行走的猿猴一直没有显著的进步所以说,改变原始人类身体的因素小是直立行走。
当然了,这还是个迷,就好比人类为什么会流汗而只没有浓密的体毛。但是有人认为,起因在于体热调节和奔跑。
仅仅拥有奔跑的特性还不够。原始人类的身体需要另一个条件:冷却系统。
哺乳动物的皮肤进化出毛发,使它们在较冷的气候里保持一定的体温。非洲早期的原始人类却恰恰相反:它们不能让身体和脑部温度过高。
通过长期对环境的适应,在较热环境里生存的人类,他们的皮肤就很少会长出毛发。
人类皮肤进化出了独特的冷却方式——用汗液带走热量。流汗是人类进化史上极为重要的一笔,因为它可以防止我们的大脑过热,灵长类动物的脑部,即使在正常温度基础上只升高几度,其运转情况都会受到很大影响。所以,怎么才能让灵长类的脑部保持冷静呢?流汁就可以办到。
哺乳动物自古以来就拥有一种汗腺,叫作顶泌腺,它可以产生某种油性的液体。正是有了它,马匹和猪的身上看起来才油光锃亮的。
这种原始的汗液使我们人类有了各自独特的体味。
但是,250万年前的某个时期,人类皮肤开始产生一种新的汗液,汗液的成分几乎完全是纯净清凉的水。
水分来自一种全新的皮肤腺体——分泌腺。(图15)
黑猩猩和其他的哺乳动物也有分泌腺,但腺体的数量不多。
而人类体内的分泌腺不计其数。这种多如牛毛、不可思议的冷汗腺体,提高了人类的捕猎能力。在人类进化的某个时期,原始人类皮肤上的体毛进一步减少,他们开始流汗,从而能够更好地追捕和猎杀其他动物。
奔跑和流汗跟人类捕猎的优势之间有着什么联系呢?
动物通过大口喘气来降低体温,呼吸的空气会经过舌头,而舌头血液的温度降低后,再输送到动物的头部和身体各处。与流汗相比,这种疗法效率太低了。这就意味着,在酷热的正午,它们得找个地方乘凉,在炎热的非洲更为明显。而且它们只能在慢跑的时候才大口喘气,也就是说,它们存飞奔的时候,无法给身体降温。
所以,如果200万年前的人类猎手能把一只动物逼得遍地飞奔。不到一刻钟,动物就必须停下来休息一会儿。因为,它在奔跑时既不能喘气又不流汗,如果身体过热,这个动物就可能死掉
大多数人类的奔跑速度都比动物行走的平均速度要快。所以,我们的远古祖先可能会把一只猎物追到几千米之外,他们可以算是最早的马拉松选手。
人类能够适应环境,长期以捕猎为生的关键,就在于我们的皮肤。我们可以通过流汗来降低体温,而不是依靠喘粗气。
流汗的本领,可能使人类成了地球上最成功的高级捕食者。
现在,遍布世界各地的人类再次发现,他们的皮肤仍然能够适应变化多端的环境
人类的皮肤并非只有一种颜色,从接近黑檀木的那种最暗的颜色,到类似象牙的最亮的颜色都有。这是自然选择的结果叶活在阳光充足地方的人们,皮肤中含有大最黑色素,因为黑色素可以防止晒伤。与之相反,生活在一作常阴暗地方的人们,皮肤黑黑色素的含量就很少,导致皮肤的颜色较浅人类皮肤的进化有多少成分是出于适膻环境,又有多少是出于偶然的突变呢?在这个问题上,人们有着很大争议。
和亿万年前一样,如今地球的环境正在迅速地发生变化。
全世界的动物,包括我们在内,必须适应环境。否则只能灭亡:没有人知道,皮肤在大自然今后的挑战中是否还能助人一臀之力。
现在,生活在地球表面的动物正面临着空前严酷的生存环境的挑战,这些挑战水仅是全球变暖,还有臭氧层正在受到侵蚀,有些动物已经无法忍受酷热,迁徙到较为凉爽的地方栖息。因此,这些动物种群的皮肤就会向新的方向不断进化。但是,我们并不清楚,这条进化之路的最终力向是什么。
进化是一个长期过程,皮肤因为适吨环境而产生的改变,可能在下百年里并不明显。但是,既然它经过了4亿年的成功进化走到了今天,那么,这种叫作皮肤的器官,还会朝着未来继续进化。