在生命演化歷程中,脊椎動(dòng)物的演化是最為壯麗的篇章之一。脊椎動(dòng)物的起源,始終是最吸引人的科學(xué)熱點(diǎn)之一。
(資料圖片)
南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院姜寶玉教授課題組和中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所朱茂炎研究員領(lǐng)導(dǎo)的“地球—生命系統(tǒng)早期演化”研究團(tuán)隊(duì)密切合作,確認(rèn)了我國5.18億年前澄江動(dòng)物群中的云南蟲是脊椎動(dòng)物最原始類群。該成果于7月8日發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。
云南蟲生態(tài)復(fù)原圖。論文共同通訊作者、中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所研究員趙方臣指導(dǎo),楊定華繪圖
形態(tài)更接近文昌魚的云南蟲,身份界定一度存爭議
“演化生物學(xué)家通常根據(jù)現(xiàn)生頭索動(dòng)物文昌魚的特征,推測脊椎動(dòng)物的祖先是一類具有脊索、背神經(jīng)管和鰓裂的后口動(dòng)物。然而,這一假想的脊椎動(dòng)物祖先始終沒有得到來自化石證據(jù)方面的支撐?!闭撐牡墓餐ㄓ嵶髡?、南京大學(xué)教授姜寶玉介紹。
姜寶玉表示,不同于具有典型脊椎動(dòng)物特征的昆明魚,云南蟲形態(tài)更接近頭索動(dòng)物文昌魚,但它在脊椎動(dòng)物起源和后口動(dòng)物系統(tǒng)樹上的位置一直存在爭議。
此前,中國學(xué)者陳均遠(yuǎn)等人在昆明海口地區(qū)又發(fā)現(xiàn)了大量云南蟲新標(biāo)本?;谶@些標(biāo)本上更加精細(xì)的解剖學(xué)結(jié)構(gòu),他們將云南蟲歸為原始有頭類,認(rèn)為其演化位置介于頭索動(dòng)物文昌魚和脊椎動(dòng)物七鰓鰻之間。這一成果發(fā)表后,在學(xué)界掀起了有關(guān)云南蟲分類位置的大討論。
“由于不同學(xué)者對云南蟲保存各異的軟體組織細(xì)節(jié)的解釋存在較大差異,云南蟲自1991年首次報(bào)道以來被分別歸類于脊椎動(dòng)物、頭索動(dòng)物、半索動(dòng)物、后口動(dòng)物干群、甚至原始的兩側(cè)對稱動(dòng)物。”姜寶玉介紹,云南蟲分類位置存在的爭議嚴(yán)重影響了這類關(guān)鍵化石對脊椎動(dòng)物起源的界定。
云南蟲標(biāo)本,化石體長3.9厘米。趙方臣供圖
云南蟲咽弓上的特殊特征助力驗(yàn)明正身
針對云南蟲分類位置之謎,研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用三維X射線斷層掃描顯微鏡、掃描電鏡等多種現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)設(shè)備,從微觀結(jié)構(gòu)上重新研究了一類此前分類存疑的動(dòng)物:云南蟲。從形態(tài)上看,云南蟲有點(diǎn)類似現(xiàn)在的蠕蟲,它們身體側(cè)扁,一般只有3至4厘米長。
通過對127塊云南蟲標(biāo)本的重新分析,研究人員首次在云南蟲的咽弓上發(fā)現(xiàn)了極微小尺度上三維保存的疊盤狀細(xì)胞結(jié)構(gòu)和蛋白微原纖維。這兩種精細(xì)的顯微結(jié)構(gòu)為脊椎動(dòng)物細(xì)胞軟骨所獨(dú)有,證明云南蟲是一種原始脊椎動(dòng)物。
科研團(tuán)隊(duì)還通過演化分析方法,進(jìn)一步卡定了云南蟲的精確演化位置。分析結(jié)果證實(shí),云南蟲處于脊椎動(dòng)物譜系的最基干位置,介于尾索動(dòng)物和其他脊椎動(dòng)物之間。
云南蟲化石咽部結(jié)構(gòu)。(A)咽部整體照片。(B–E)咽弓的微觀結(jié)構(gòu):咽弓的光學(xué)照片(B),結(jié)構(gòu)示意圖(C),單個(gè)咽弓的三維X射線CT渲染(D),咽弓內(nèi)碳質(zhì)殘留物的掃描電鏡照片,展示化石保存的蛋白微原纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)(E)。論文第一作者田慶羿制圖。
對于云南蟲之前備受爭議的第一對咽弓,研究團(tuán)隊(duì)在新標(biāo)本上相當(dāng)于第一對咽弓的位置上發(fā)現(xiàn)了與后部其他鰓弓一樣的疊盤狀細(xì)胞結(jié)構(gòu)、鰓絲和蛋白微原纖維等構(gòu)造。因此,云南蟲擁有從前到后彼此相似、都具有細(xì)胞軟骨的7對咽弓。
“云南蟲相似的7對系列咽弓的發(fā)現(xiàn),支持解剖學(xué)家們早在19世紀(jì)就已經(jīng)提出的脊椎動(dòng)物咽弓同源理論假說,即魚類的鰓弓是頜弓和舌弓的原型,脊椎動(dòng)物的頜弓和舌弓跟后面的鰓弓是系列同源構(gòu)造?!苯獙氂癖硎尽?/p>
云南蟲演化位置和各類脊索動(dòng)物咽顱形態(tài)比較(從上到下,分別是文昌魚、云南蟲、后斯普里格魚、七鰓鰻、鯊魚)。論文第一作者田慶羿制圖
云南蟲籃狀咽顱證實(shí)脊椎動(dòng)物祖先咽顱形態(tài)
姜寶玉認(rèn)為,這次研究的另一個(gè)重要新發(fā)現(xiàn)是,云南蟲的7對咽弓在腹背兩端被成對的水平軟骨連接,組成了一個(gè)類似于籃狀的咽顱。
“籃狀咽顱是現(xiàn)生無頜類脊椎動(dòng)物和化石無頜類真顯魚的典型特征,然而寒武紀(jì)后斯普里格魚和有頜類脊椎動(dòng)物的咽顱是由一系列彼此分離的軟骨棒組成?!苯獙氂裾f,后斯普里格魚的這種咽顱特征引起了關(guān)于脊椎動(dòng)物祖先咽顱形態(tài)的爭議。出現(xiàn)更早、位于脊椎動(dòng)物最基干位置的云南蟲咽顱特征支持籃狀咽顱是更古老的祖先特征。
由此可見,作為現(xiàn)生脊椎動(dòng)物最古老的近親,云南蟲為揭示脊椎動(dòng)物的起源和早期演化提供了關(guān)鍵證據(jù),對脊椎動(dòng)物頜和其他關(guān)鍵特征演化的探索均將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
此次成果也得到了《科學(xué)》雜志審稿人的高度評價(jià):“這是對科學(xué)的重大貢獻(xiàn),將成為古脊椎動(dòng)物學(xué)的一篇關(guān)鍵論文,展示了人們期待已久的、最可信的解剖結(jié)構(gòu)化石證據(jù),解決了寒武紀(jì)干群脊椎動(dòng)物爭議問題。他們所展示的信息是一個(gè)里程碑,在未來的許多年里,即使更高分辨率的研究也難以超越?!?/p>
作者:金鳳 張曄
審核:王飛
終審:陳磊
標(biāo)簽: 脊椎動(dòng)物 頭索動(dòng)物 分類位置
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