分享

我科学家填补“从鱼到人”演化关键环节

 洁洁赢 2022-09-29 发表于安徽

2022.9.29

志留纪兰多维列世重庆生物群生态复原图 

【科技前沿】

颌骨——上颌与下巴的出现,是脊椎动物“从鱼到人”的演化史上最关键的跃升之一,也是人类很多重要器官与身体构型形成的“起点”。但因为化石的缺失,有颌类的起源与演化一直成谜——它们仿佛是突然出现的,古脊椎动物学巨擘阿尔弗雷德·罗美尔曾将其称为“古生物学史上一个顽固存在的重大空白”。

如今,这个空白有望被我国科学家填补。国际学术期刊《自然》9月28日发表了团队的4篇学术论文,集中报道了中国科学院古脊椎动物与古人类研究所朱敏院士团队在重庆、贵州志留纪早期(距今约4.4亿年)地层中发现的五条古鱼。这些发现填补了全球志留纪早期有颌类化石记录的空白,首次为有颌类的崛起与最早期辐射分化提供确切证据,让解答“从鱼到人”最初阶段的一系列重要科学问题成为可能。

更重要的是,朱敏说:“我们在重庆和贵州发现了丰富的古鱼化石库藏,可以称之为'重庆特异埋藏化石库’和'贵州石阡化石库’,为我国再添世界级的特异埋藏化石库。可以期待,我们将在这里揭开更多远古的奥秘,探讨地球的演化和生命更迭。”

五条古鱼中,隐藏着有颌类起源与崛起的奥秘

朱敏介绍,这五条古鱼分别是发现于贵州石阡的双列黔齿鱼和新塑梵净山鱼,发现于重庆的灵动土家鱼、蠕纹沈氏棘鱼和奇迹秀山鱼。研究团队采用新技术新方法对这些鱼类化石开展了详细研究,发现了最早有颌类的牙齿、头部、身体以及偶鳍的雏形,是过去完全未知的最早有颌类的身体结构与解剖学信息。这些发现在有颌类最早期分化、重要器官和身体构型演化等重要科学问题的探索中取得了新进展,刷新了传统认知。

双列黔齿鱼的重要性在于它的牙齿,朱敏说:“其齿旋代表最古老的有颌类牙齿,将牙齿最早化石证据前推了1400万年。”新塑梵净山鱼的重要性在于它的棘刺。“这一发现显示,早在志留纪早期,原始软骨鱼类已经演化出典型的栅棘鱼形态,同时具有硬骨鱼类的组织学特征。”朱敏说:“这些进展让奥陶纪、志留纪鱼类鳞片和棘刺化石分类位置的长期争论尘埃落定。”

盔甲鱼类灵动土家鱼是一种无颌鱼,它的发现为脊椎动物何时演化出了成对的附肢提供了关键化石证据。沈氏棘鱼和奇迹秀山鱼都是有颌鱼类,蠕纹沈氏棘鱼是迄今所知最早的保存完好的软骨鱼,确证了鲨鱼是从“披盔戴甲”的祖先演化而来;奇迹秀山鱼则糅合了多个盾皮鱼大类的特征,为探究有颌类生命之树根部主要类群的起源和脊椎动物头骨演化提供了珍贵资料。

这些新发现在古生物学史上第一次大规模展示了志留纪鱼群特别是有颌类的面貌,揭示了早期有颌类崛起的过程:最迟到4.4亿年前,有颌类各大类群已经在华南地区欣欣向荣;到志留纪晚期,更多样、更大型的有颌类属种出现并开始扩散到全球,开启了鱼类登陆并最终演化成为人类的进程。

国际古脊椎动物学会前主席、澳大利亚弗林德斯大学John Long教授撰文称:“这确实是令人惊叹、改变演化格局的化石发现,改写了有颌脊椎动物早期演化历史的几乎所有方面。”

解密“从鱼到人”,还要看中国

中国是古生物化石保存的“福地”,从澄江化石群、热河化石群,再到贵州石阡化石库、重庆特异埋藏化石库,地球生命演化的早期历史在古生物学家们的手中逐渐重现。

近十年来,朱敏团队踏遍我国志留纪地层可能含鱼的二百多个地点,终于在重庆和贵州石阡发现大量特异埋藏保存的完整志留纪早期鱼类化石,找到了破解有颌类最初崛起与辐射分化之谜的钥匙。

朱敏说:“贵州石阡化石库时代为兰多维列世(志留纪早期)埃隆期最晚期,约4.39亿年前,含有数量多、保存好的有颌类微体化石。重庆特异埋藏化石库时代为兰多维列世特列奇期,约4.36亿年前,是目前世界上唯一保存志留纪早期完整有颌类化石的特异埋藏化石库。”



其中,重庆特异埋藏化石库堪称“鱼类的黎明”。朱敏说:“这是继澄江生物群、热河生物群之后,又一个在我国发现的、为探索生命之树演化重要节点提供大量关键证据的世界级特异埋藏化石库,将完整有颌类的化石记录前推了1100万年,将若干人类身体结构的起源追溯到4.36亿年前的化石鱼类中。重庆特异埋藏化石库中发现的古鱼化石不仅数量众多、种类齐全,而且保存十分完整、精美,我们得以一窥志留纪初期脊椎动物特别是有颌类的全貌。”

对重庆特异埋藏化石库和贵州石阡化石库的化石研究,将很多与人类相关的解剖学结构追溯到4.4亿年前的远古鱼类,填补了“从鱼到人”演化史上缺失的最初始环节,更新了对有颌类起源与崛起的传统认知,进一步夯实了“从鱼到人”的演化路径。

“古生物学界对北美、澳洲等地的志留纪地层的研究已经很多,至今没有发现比我们更好的结果。”朱敏说,“我们有这样得天独厚的宝藏,解密有颌类起源与崛起、探索'从鱼到人’的演化路径,还要看中国!”


4.39亿年前的化石重见天日 揭秘“从鱼到人”演化关键跃升


地球上现存99.8%的脊椎动物都具有颌骨(上颌与下巴),统称为有颌脊椎动物或有颌类。有颌类的出现与崛起是“从鱼到人”的脊椎动物演化史上最关键的跃升之一。这一跃升具体发生在何时?又是如何发生的?

近期,中国科学院古脊椎动物与古人类研究所朱敏院士团队在重庆、贵州等地志留纪早期距今约4.4亿年的地层中发现“重庆特异埋藏化石库”和“贵州石阡化石库”,填补了全球志留纪早期有颌类化石记录的空白,首次为有颌类的崛起与最早期辐射分化提供确切证据。

团队采用新技术新方法对鱼类化石开展了详细研究,在有颌类最早期分化、重要器官和身体构型演化等重要科学问题的探索中取得新进展,刷新了传统认知。英国《自然》杂志于北京时间9月28日23时发表团队的4篇学术论文,集中报道了这批研究成果。

化石缺失曾使“有颌类”起源成谜

“颌”的出现,应运而生的是脊椎动物的“崛起”、没有颌,噬人鲨、恐龙都将无法捕食。人类的很多重要器官与身体构型都可追溯到有颌类演化之初。

有颌类的起源与崛起是脊椎动物演化史中最关键的跃升之一,然而,有颌类化石直到泥盆纪之初(4.19亿年前)才大量出现,而分子生物学资料证明,有颌类起源时间应早于奥陶纪晚期(约4.5亿年前)。因此,有颌类的早期演化存在一段至少绵延三千万年、横跨奥陶纪晚期和志留纪(约4.4亿年前-4.2亿年前)的巨大记录空白。

古脊椎动物学巨擘阿尔弗雷德·罗美尔曾经将其称为“古生物学史上一个顽固存在的重大空白”。由于这个空白的存在,尽管人们知道有颌类在志留纪已经存在,但对它们到底长什么模样、有多大、处于什么生态位、如何演化等问题一无所知,甚至不能确定志留纪地层中发现的零星棘刺、鳞片是否属于有颌鱼类。

化石实证的缺失使“有颌类的起源与崛起”笼罩在重重迷雾之中,有颌类在其出现的前三千万年一直是“幽灵支系”。长期以来,学界仅能通过零散保存的鳞片与棘刺等,“盲人摸象”般地推测最早有颌类的身体构型。

重庆生物群带来“鱼类的黎明”

为了填补这一空白,近十年来,中国科学院院士朱敏带领团队踏遍我国志留纪地层二百多个地点,终于在华南志留纪早期地层中发现“重庆特异埋藏化石库”和“贵州石阡化石库”,找到了破解谜题的钥匙。

其中,“重庆特异埋藏化石库”的时代约为4.36亿年前,是目前世界上唯一保存志留纪早期完整有颌类化石的特异埋藏化石库,堪称“鱼类的黎明”。

重庆生物群中的有颌鱼类及无脊椎动物海蝎化石。中国科学院古脊椎动物与古人类研究所供图

“化石是在特殊条件下保存下来的,全球的同行都没有想到能发现如此古老和完整的化石。古鱼化石不仅数量众多、种类齐全,而且保存十分完整、精美。它们呈现了很高的多样性,提供了前所未有的解剖学信息。”朱敏院士说,这是继澄江生物群、热河生物群之后,又一个在我国发现的世界级特异埋藏化石库,为探索生命之树演化重要节点提供大量关键证据。

这些化石是如何被发现并带回来研究的?中国科学院古脊椎动物与古人类研究所副研究员朱幼安用手机展示了一张图片,里面是像小山一样高的石堆,这就是科研人员的工作环境。化石在石头上像一小块黑污渍一样,科研人员要用“慧眼”和经验将它们分辨出来。“我们是手持地质锤将石块一个个敲开的,如果用其他机械或者大锤子,一锤就砸碎了。”一旦发现鱼化石,科研人员要将其拿回实验室修复,在显微镜下用细钢针一点点把鱼“剔”出来。“这个过程中不能划,不能锉,一针剔下的围岩最多也就一粒沙子那么大。”专业人员修化石十分精细,少则一周,多则一两年。

野外挖掘照片。中国科学院古脊椎动物与古人类研究所供图

找到重庆特异埋藏化石库,也有一段故事。朱幼安说,科研人员首先必须知道哪里有志留纪早期地层,这依赖于上百年来,地质地层学者一步步将每个时代上下地层完全搞清楚。2018年,重庆新开了一条天路,通常新开的路上都会挖出新鲜的石头,中科院古脊椎所和曲靖师范学院联合培养的博士后李强就在附近开始寻找。当天下着雨,他找了一天也没有找到,正有点泄劲,突然从滑坡的落石中发现了一块完整的志留纪晚期有颌类化石。此后3年中,科研人员不断找寻并有新的发现,最终找到了大量志留纪早期的珍贵化石。

将完整有颌类的化石记录前推1100万年

重庆生物群的鱼类化石虽然保存完整,但鱼的个体通常都非常小,大多长3、4厘米,它们骨骼非常轻薄而且本身和岩石之间没有密度差,因为给研究带来了很大挑战,甚至连基本的照相工作都非常困难。

为此,团队历时近三年,使用高精度CT扫描、精细三维重建、扫描电镜元素分析、全光位图像、多元统计分析在内的多种手段开展细致研究和反复探索,使得这些化石“吐露”了大量珍贵的解剖学信息。

中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员卢静说,此次研究首次将全光位技术应用到古脊椎动物研究中,能观察到标本更多的细微纹理和结构细节,并可以操作改变虚拟光源,可重复可检验地呈现化石立体图像。

“以往这种技术通常应用在法医鉴定和考古研究中,用于鉴定指纹、笔迹和铭文等细微痕迹。还有研究人员用它来研究昆虫的翅脉纹路。”她说,化石很小而且被压得非常扁,需要调整光源来不停地观察细微的结构。机器就像一个罩子,里面有一圈圆形的灯,在拍摄过程中会依次逐个亮起来。研究人员会获得一个虚拟的环境光,通过改变光的方向,更好地观察细节结构。她提到,以往论文中,研究人员通常仅提供一种光照条件下的一张照片,呈现的图像可能有可重复性和可检验性的问题。此次通过全光位技术,可以给其他研究者共享携带细微三维表面信息的数字图像,并让其他人自己操纵改变光源的方向和强度,检验形态信息及解释是否准确。

有颌类直到志留纪晚期(4.25亿年前)才出现较完善的化石记录。此次研究将完整有颌类的化石记录前推了1100万年,将若干人类身体结构的起源追溯到4.36亿年前的化石鱼类中。

这些化石中,无颌的盔甲鱼类灵动土家鱼为脊椎动物成对附肢起源提供关键化石证据;有颌的蠕纹沈氏棘鱼是迄今所知最早的保存完好的软骨鱼,确证了鲨鱼是从“披盔戴甲”的祖先演化而来。而另一种有颌鱼类奇迹秀山鱼则糅合了多个盾皮鱼大类的特征,为探究有颌类生命之树根部主要类群的起源和脊椎动物头骨演化提供了珍贵资料。

奇迹秀山鱼复原图。中国科学院古脊椎动物与古人类研究所供图

4.39亿年前的鱼化石,将牙齿的最早化石记录前推1400万年

十余年来,朱敏团队同时在贵州志留纪早期地层中开展野外工作。2019年,他们在石阡取得突破。“贵州石阡化石库”时代距今4.39亿年,含有数量多、保存好的有颌类微体化石。科研人员从野外采回的近4吨鱼类微体化石样品中,前后共发现23枚有颌类牙齿标本。

这些牙齿只有2.5毫米长,通过高精度CT、三维复原以及组织学切片等技术手段,研究人员对4.39亿年前的双列黔齿鱼开展了细致的研究,揭秘了最早有颌类牙齿的生长结构和发育特征。志留纪早期发现牙齿化石是非常罕见的,这是迄今为止有颌类出现的最早、最直观的证据,将牙齿的最早化石记录前推了1400万年。

黔齿鱼复原图。中国科学院古脊椎动物与古人类研究所供图

系统发育分析,表明黔齿鱼隶属软骨鱼类全群,支持了早在奥陶纪生物大辐射时期(约4.85亿至4.5亿年前)就已经出现有颌脊椎动物的观点。

4.4亿年前,有颌类已经在华南地区欣欣向荣

朱敏院士称,“重庆特异埋藏化石库”和“贵州石阡化石库”的发现在古生物学史上第一次大规模展示了志留纪鱼群特别是有颌类的面貌,揭示了早期有颌类崛起的过程。4.4亿年前,有颌类各大类群已经在华南地区欣欣向荣;到志留纪晚期,更多样、更大型的有颌类属种出现并开始扩散到全球,开启了鱼类登陆并最终演化成为人类的进程。

对“重庆特异埋藏化石库”和“贵州石阡化石库”的化石研究,将很多与人类相关的解剖学结构追溯到4.4亿年前的远古鱼类,填补了“从鱼到人”演化史上缺失的最初始环节,更新了对有颌类起源与崛起的传统认知,进一步夯实了“从鱼到人”的演化路径。

“重庆特异埋藏化石库”和“贵州石阡化石库”未来还将继续为解开围绕有颌类起源的重重谜团做出贡献。

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。
    转藏 分享 献花(0

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多