最新研究:4億年前“鴨嘴獸古魚”是現代有頜類“親戚”

  2021-01-28 15:16:49

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  中新網北京1月28日電 (記者 孫自法)4億年前的“鴨嘴獸古魚”,與包括人類在內的現代有頜類動物有關系嗎?中外科學家最新一項合作研究發現并提出有頜脊椎動物早期演化新框架,認為它們之間是生物進化史上較近的“親戚”。

  中國科學院古脊椎動物與古人類研究所(中科院古脊椎所)朱幼安、盧靜、朱敏領導的由中國、澳大利亞、英國和瑞典等學者組成的國際合作研究團隊,通過對4億年前的“鴨嘴獸古魚”化石標本深入研究并獲得重要進展,其成果論文北京時間28日在國際專業學術期刊《當代生物學》上發表。

“鴨嘴獸古魚”化石標本的CT重建,顯示其顱頂甲、腦顱、腦腔和內耳骨迷路結構。研究團隊 供圖
“鴨嘴獸古魚”化石標本的CT重建,顯示其顱頂甲、腦顱、腦腔和內耳骨迷路結構。研究團隊 供圖

  現代有頜類的“前世今生”

  論文第一作者朱幼安介紹說,大多數脊椎動物,包括人類自身均屬于有頜類,即有頜的脊椎動物。現代有頜類包括軟骨魚類、硬骨魚類及后者登上陸地的后裔。而從頜的起源到現代有頜類最近共同祖先出現之間的系統演化空間,為一群被統稱為“盾皮魚類”的早期有頜魚類所填充,現代有頜類共同的身體藍圖及許多重要器官特征的起源,就需要到這中間去尋找。

  被戲稱為“鴨嘴獸古魚”的布林達貝拉魚(Brindabellaspis),就是一種中等體型的盾皮魚類,其顯著特征為有一長而扁的吻部,生活在4億年前澳大利亞東部的陸表淺海礁區。

  早在1980年,澳大利亞古魚類學者就已發表布林達貝拉魚腦顱解剖學結構的詳盡專論,認為其保存精美的腦顱和腦腔展示出一些與無頜類相似的特征,暗示布林達貝拉魚是一種很原始的古魚類。不過,受限于當時技術手段,科學家只能通過化石標本的破損部位推測腦顱內部腔體構造,其內耳半規管和內淋巴系統等細節無法確切得知。

“鴨嘴獸古魚”(前景中央)和其他史前魚類復原圖(楊洪宇、鄭秋旸繪)。畫面上方的大白鯊和人類潛水員為現代有頜脊椎動物的代表。研究團隊 供圖
“鴨嘴獸古魚”(前景中央)和其他史前魚類復原圖(楊洪宇、鄭秋旸繪)。畫面上方的大白鯊和人類潛水員為現代有頜脊椎動物的代表。研究團隊 供圖

  研究發現現代有頜類遠古“親戚”

  最新的國際合作研究中,朱幼安等應用高精度CT掃描數據,對在澳大利亞發現的兩件新的布林達貝拉魚頭部標本進行掃描和詳細研究后發現,正是在過去不可知的區域內,隱藏著十分重要的信息——布林達貝拉魚內耳的上部(即半規管)和下部(即前庭,包括橢圓囊和球囊)界限分明,前后半規管以發達的總腳和橢圓囊上腔相連,這與之前所知的其他盾皮魚類內耳十分不同,而與現代有頜類相似。事實上,這一系列特征可以在包括人類在內的大部分現代有頜類中找到。

  內淋巴液是充盈在內耳膜迷路中的液體。包括人類在內的陸地脊椎動物以及大部分硬骨魚類都有封閉的內淋巴系統。與此不同,許多早期魚類有開放的內淋巴系統,內淋巴液與外界水體相通。多數盾皮魚類和無頜的甲胄魚類內耳均由一根簡單的內淋巴管直通外界,而現代有頜類則發育有膨大的內淋巴囊。

  研究發現,布林達貝拉魚擁有發達的內淋巴囊,該內淋巴囊向內通過一垂直小管與內耳前庭相連,向外又由穿透顱頂的內淋巴管與外界相通,這與現代有頜類,特別是與軟骨魚類模式基本一致,進一步支持了布林達貝拉魚與現代有頜類較近的關系。

  詳細厘定有頜類特征矩陣提出新假說

  論文通訊作者盧靜指出,對最早期有頜類演化關系的爭論由來已久。傳統觀點認為盾皮魚類形成一個自然類群,近年來,許多學者認為盾皮魚類只是許多最早期有頜類的集合,代表了從無頜的甲胄魚演化到硬骨魚軟骨魚之間一系列的中間狀態。

  她說,合作團隊除對布林達貝拉魚內耳進行研究外,還通過CT掃描數據重新訂正布林達貝拉魚顱頂甲骨片的型式,并認為一些過去歸為布林達貝拉魚自有的特化性狀,如向前分開的嗅束等,實際上可以與現代有頜類比較。

  根據這些新加入的數據,合作團隊詳細厘定有頜類特征矩陣,對其進行的分析結果發現,基于最簡約假設的系統演化樹與之前假說有較大區別。在新提出的假說中,盾皮魚類確實不能構成一個單系或自然類群,不過,有頜類可能很早就分開形成兩個大的支系,其中一個單系類群包括目前所知的大部分盾皮魚類,另一個支系包括現代有頜類和與它們關系較近但仍為盾皮魚類形態的屬種。

  新研究指出布林達貝拉魚位于向現代有頜類演化的盾皮魚的根部,而一些形態和生活方式接近硬骨魚類和軟骨魚類的盾皮魚類,如著名的泥盆紀超級掠食者鄧氏魚所屬的節甲類,與現代有頜類的相似性主要是趨同演化而來,而不是因為它們具有較近的親緣關系。

  盧靜表示,布林達貝拉魚的最新研究展現出對過去經典標本的重新認識和對現有早期脊椎動物演化框架的沖擊。近期,在中國發現了大量保存完好的志留紀(距今約4.4億至4.19億年)有頜魚類,它們已經非常接近頜起源的時間和系統演化節點,后續的深入研究將提供全新資料,有望在頜的起源、有頜類早期演化框架等一系列重大科學問題上取得重要突破。(完)

【編輯:姜雨薇】

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