本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
7月26日星期四，SciLogs.com，一个新的英语科学博客网络上线。SciLogs.com是《自然》网络博客作者的全新家园，也是SciLogs国际博客系列的一部分，该系列博客已存在于德语、西班牙语和荷兰语中。为了庆祝NPG科学博客大家庭的这一新成员，一些NPG博客正在发布以“开端”为主题的文章。
参与这次跨网络博客节日的有nature.com的Soapbox Science博客、Scitable的学生之声博客和来自SciLogs.com、SciLogs.de、Scitable和《大众科学》博客网络的博客作者。加入我们，一起探索对开端的各种不同诠释——从干细胞等科学实例到首次发表论文等首次体验。您还可以使用#BeginScights标签在社交媒体上关注和参与讨论。——Bora
起初，地球空虚混沌；深渊之上，一片黑暗，就像巨大的气体和尘埃云坍塌形成我们的太阳系一样。行星随着星云的旋转而形成，被附近的超新星撞击而开始运动，在中心，最快的粒子压缩点燃成为我们的太阳。大约45亿年前，熔融的地球开始冷却。与彗星和小行星的剧烈碰撞带来了生命之水——水，云和海洋开始形成。直到十亿年后，第一批生命诞生，为大气层注入了氧气。
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在接下来的几十亿年里，单细胞生物融合并成为多细胞生物；身体结构多样化并向外辐射，爆发成一系列无脊椎动物。然而，所有这些丰富和生命都被限制在海洋中，而广阔而富饶的陆地却无人使用。大约5.3亿年前，有证据表明类似蜈蚣的动物开始探索水面以上的世界。大约在4.3亿年前，植物开始在光秃秃的地球上定居，创造了富含食物和资源的陆地，而鱼类则从海洋中的祖先脊椎动物进化而来。又过了3000万年，那些史前鱼类爬出水面，开始了我们今天所处的进化谱系。为了理解我们所知的生命，我们必须回顾我们来自何处，并理解我们的祖先是如何勇敢地面对波浪之上的全新世界的。
对于鱼类来说，这是一小步，但对于动物界来说，这是一大步。尽管如此，看看现代的鱼类物种，不难想象缓慢适应海洋以外的生活。就在前几天，我喂我的宠物蝎子鱼斯塔皮时，他用缓慢而有意的爬行向他的食物移动，让我感到惊讶
许多鱼类表现出的特征与第一批四足动物的特征非常相似：四足动物是第一批勇敢地在陆地上生活的脊椎动物，是古代鱼类的直系后代。斯塔皮的许多亲戚，包括角鱼，都以其“行走”行为而闻名。同样，弹涂鱼在解剖学和行为上都适应了在陆地上生存。它们不仅可以用鳍从一个地方跳到另一个地方，还可以像两栖动物一样通过皮肤呼吸，使它们在离开浅水池时也能生存。步行鲶鱼已经对其呼吸系统进行了大幅改造，使其可以在水外生存数天。但这仅仅是第一批四足动物如何开始的惊鸿一瞥，因为这些动物都没有完全适应陆地生活。要了解四足动物是如何实现这一壮举的，我们必须首先了解阻碍它们在海底生活和等待着它们的陆地之间的障碍。
在空气中而不是在水中生活充满了困难。运动是一个问题，尽管正如一些谱系中的进化所表明的那样，这并不是你想象的那么大的问题。尽管如此，虽然弹涂鱼和鲶鱼似乎可以轻松行走，但我们的祖先却不能这样说。一些最早的四足动物，像鱼石螈那样，在陆地上非常笨拙，而且很可能大部分时间都待在舒适的水中。这些最早的四足动物来自古代鱼类——肉鳍鱼，它们只有少数在今天幸存下来。顾名思义，这些动物有肉质的、桨状的鳍，而不是大多数现代鱼类物种的薄弱鳍条。这些覆盖着肉的叶鳍非常适合适应成四肢。
但是，这些早期的四足动物必须发展出不仅仅是一种新的行走方式——它们的整个骨骼都必须改变以支撑更多的重量，因为水支撑质量的方式是空气所不能比拟的。每个椎骨都必须变得更强壮以获得支撑。肋骨和椎骨改变了形状，并进化出额外的支撑力，以更好地分配重量。头骨分离，颈部进化为使头部具有更好的活动性并吸收行走的冲击。骨骼丢失和移动，简化了四肢，并创造了仍然反映在我们自己的手脚上的五指模式。关节活动以适应运动，并向前旋转以允许四足爬行。总的来说，大约花了3000万年的时间才发展出适合在陆地上行走的身体结构。
与此同时，这些笨拙的准陆地居民面临着另一个障碍：空气本身。由于腮擅长从水中吸取氧气，早期的四足动物不适合呼吸空气。虽然许多人认为早期的四足动物将它们的腮转化为肺，但这实际上是不正确的——相反，是鱼的消化系统适应形成了肺。第一批离开水的四足动物通过吞咽空气并在肠道中吸收氧气来呼吸。随着时间的推移，形成了一个特殊的口袋，可以更好地进行气体交换。在许多鱼类中，存在类似的结构——称为鱼鳔——可以使它们调整在水中的浮力，因此许多人假设四足动物的肺是共同选择的鱼鳔。事实上，四足动物何时发展出肺尚不清楚。虽然早期四足动物仅存的近亲——肺鱼——也拥有肺（如果它们的名字没有泄露这一点），但许多四足动物化石似乎没有肺，这表明肺鱼独立进化出呼吸空气的能力。我们所知道的是，直到大约3.6亿年前，四足动物才像它们的现代后代那样真正呼吸。
空气的另一个问题是它往往会使事物干燥。您可能听说过一个统计数据，即我们的身体有 98% 是水，但是，作为高度进化的陆地生物，我们拥有高度进化的结构，可确保所有这些水不会简单地蒸发。早期的四足动物需要自己开发这些结构。起初，就像从它们那里产生的两栖动物一样，许多四足动物可能坚持在潮湿的栖息地以避免水分流失。但最终，为了征服干燥的陆地和沙漠，动物们必须找到另一种方法来防止自己脱水。很可能许多早期的四足动物开始尝试各种方法来使它们的皮肤防水。更重要的是干燥卵的问题。两栖动物通过在水中产卵来解决干燥问题，但征服陆地的四足动物没有这种奢侈。
解决陆地干燥问题的方法是将卵包裹在多层膜中，即现在被称为羊膜卵的卵。即使我们自己的孩子也反映了这一点，因为人类婴儿仍然在羊膜囊中生长，羊膜囊包围着胎儿，即使我们不再产卵。这种至关重要的适应使动物能够与水生栖息地断绝联系，并将包括爬行动物、鸟类和哺乳动物在内的四足动物的主要谱系与两栖动物区分开来。
对四足动物骨骼和解剖结构的这些关键适应使它们能够征服波浪之上的世界。没有它们的进化智慧，包括所有哺乳动物在内的各种动物就不会有今天的地位。然而，我们仍然几乎不了解驱使这些早期动物走出海洋的生态环境。干旱的陆地是否提供了不容错过的无尽食物？也许，但有证据表明，我们的祖先很早就冒险进入了干燥的世界，甚至在大多数陆地植物或昆虫出现之前，所以地球很可能是贫瘠的。他们是在逃避深渊中的竞争和捕食吗？还是土地因某种尚未确定的原因而重要？我们可能永远不会知道。但是，当我们回顾我们的开端时，我们必须感谢那些开始我们所参与的多元化进化谱系的勇敢的动物。虽然我们可能永远不明白它们为什么要离开水，但我们很感激它们这样做了。
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照片：一种被称为提塔利克鱼的最早的四足动物祖先的模型。照片由泰勒·凯勒 (Tyler Keillor) 提供。