5亿岁的云南虫身份确定 被写入脊椎动物“家谱”第一页

研究团队对海口地区产出的127块云南虫标本的鳃弓结构进行了分析,首次在云南虫咽弓上发现了微纳尺度三维保存的叠盘状细胞结构和蛋白微原纤维构造。这证明云南虫具有脊椎动物独有的、由细胞软骨构成的咽弓,属于原始脊椎动物。

现代脊椎动物从何而来?最古老的脊椎动物长什么样?这些重大科学问题一直吸引着古生物学家不断探寻。

此前,学界普遍认为最古老的脊椎动物是来自澄江动物群的昆明鱼,并推测脊椎动物的祖先是一类具有脊索、背神经管和鳃裂的后口动物。然而,这一假想始终没有得到化石证据的支撑。

7月8日,国际权威学术期刊《科学》刊发南京大学姜宝玉教授课题组和中国科学院南京地质古生物研究所研究员朱茂炎领导的“地球—生命系统早期演化”团队的研究成果,确认了我国5.18亿年前澄江动物群中的云南虫是脊椎动物的最原始类群。

距今约5.05亿年的加拿大布尔吉斯页岩动物群和距今约5.18亿年的中国云南澄江动物群,有丰富的、保存精美的以软躯体结构为特征的动物化石。

其中,1909年已经被发现的布尔吉斯页岩动物群,产出了头索动物皮卡鱼和基干脊椎动物后斯普里格鱼化石,科学家在澄江动物群中则发现了包括基干脊椎动物昆明鱼和分类位置存疑的云南虫在内的多种脊索动物化石。这些化石是迄今为止世界上最古老的脊索动物,为揭开脊椎动物起源和早期演化之谜提供了珍贵材料。

从形态上看,云南虫有点类似现在的蠕虫,它们身体侧扁,一般只有3厘米至4厘米长。

“不同于具有典型脊椎动物特征的昆明鱼,云南虫形态更接近头索动物文昌鱼,但它在脊椎动物起源和后口动物系统树上的位置一直存在争议。论文的共同通讯作者、南京大学教授姜宝玉介绍。

1995年,《自然》杂志曾发表研究,研究将云南虫作为最早的脊索动物。《》和《科学周刊》还对此作了专题评述。

在此之后,中国学者陈均远等人在昆明海口地区又发现了大量云南虫新标本。基于这些标本更加精细的解剖学结构,他们将云南虫归为原始有头类,认为其演化位置介于头索动物文昌鱼和脊椎动物七鳃鳗之间。这一成果1999年在《自然》杂志发表后,在学界掀起了有关云南虫分类位置的大讨论。

“由于不同学者对云南虫保存各异的软体组织细节的解释存在较大差异,云南虫自1991年被首次报道以来,被分别归类于脊椎动物、头索动物、半索动物、后口动物干群、甚至原始的两侧对称动物。”姜宝玉介绍,云南虫分类位置存在的争议严重影响了基于这类关键化石开展脊椎动物起源的研究。

针对云南虫分类位置之谜,在常规的形态学研究无法达成共识的情况下,研究团队利用三维X射线断层扫描显微镜、傅里叶红外光谱、拉曼光谱、扫描电镜和透射电镜等多种现代实验技术手段进行研究,希望从微观解剖学结构着手去破解这一谜题。

基于陈均远等学者于2003年提出的云南虫鳃弓可能具有细胞软骨这一重要线索,研究团队对海口地区产出的127块云南虫标本的鳃弓结构进行了分析,首次在云南虫咽弓上发现了微纳尺度三维保存的叠盘状细胞结构和蛋白微原纤维构造。

“叠盘状细胞结构是软骨细胞独特的排列方式,而蛋白微原纤维是脊椎动物软骨常见的细胞间基质的纤维结构。这两个特征证明云南虫具有脊椎动物独有的、由细胞软骨构成的咽弓,表明云南虫属于原始脊椎动物。”姜宝玉说。

为进一步确定云南虫的具体演化位置,研究团队整合了最新的、包括后口动物和早期脊椎动物化石在内的性状矩阵,并加入新观察到的云南虫性状,采用贝叶斯算法进行重建计算。分析结果支持云南虫处于脊椎动物谱系的最基干位置,介于尾索动物和其它脊椎动物之间。

“脊椎动物颌的起源,也困扰了学界很久。19世纪初,有科学家提出设想,认为在漫长的演化中,鳃弓演化出颌弓和与舌弓,但此前一直没有找到化石记录佐证。”姜宝玉介绍,随后的科学发现却让人对这一假说提出质疑。

“现生的无颌脊椎动物盲鳗和七鳃鳗的控制前两个鳃弓的基因没有发育成颌弓和舌弓,而是发育成了上下唇,发育中也看不到鳃弓的痕迹,这与有颌脊椎动物的鳃弓不一样。”姜宝玉说,此次研究中,科研人员在确认云南虫的“身份”后,在其相当于第一对咽弓的位置上发现了与后部其他鳃弓一样的叠盘状细胞结构、鳃丝和蛋白微原纤维等构造。

因此,云南虫拥有从前到后彼此相似、同样具有细胞软骨的7对咽弓。彼此相似的咽弓也出现在另一种寒武纪基干脊椎动物——后斯普里格鱼身上。

“云南虫相似的7对系列咽弓的发现,支持解剖学家们早在19世纪就已经提出的脊椎动物咽弓同源理论假说,即鱼类的鳃弓是颌弓和舌弓的原型,脊椎动物的颌弓和舌弓跟后面的鳃弓是系列同源构造。”姜宝玉表示,这意味着,虽然现生脊椎动物不同位置的咽弓会发育成颌弓、舌弓和鳃弓等形态不同的骨骼,但在脊椎动物演化初期不同位置的咽弓是彼此相似的。

姜宝玉认为,这次研究的另一个重要新发现,是云南虫的7对咽弓在腹背两端被成对的水平软骨连接,组成了一个类似于篮状的咽颅。咽颅是指脊椎动物头部消化道周围的一组骨片,起到支撑和保护作用,现生脊椎动物的咽颅由颌弓、舌弓和鳃弓等咽弓的骨骼构成。

“篮状咽颅是现生无颌类脊椎动物和化石无颌类真显鱼的典型特征,然而寒武纪后斯普里格鱼和有颌类脊椎动物的咽颅由一系列彼此分离的软骨棒组成。”姜宝玉说,后斯普里格鱼的这种咽颅特征引起了关于脊椎动物祖先咽颅形态的争议。出现更早、位于脊椎动物最基干位置的云南虫咽颅特征支持篮状咽颅是更古老的祖先特征这一观点。

由此可见,作为现生脊椎动物最古老的近亲,云南虫为揭示脊椎动物的起源和早期演化提供了关键证据,对脊椎动物颌和其他关键特征演化的探索均将产生深远的影响。

姜宝玉认为,“从另外一个角度来看,该项研究再一次展示了澄江动物群化石具有保存微纳尺度精细生物学结构的潜力。”

此次成果也得到了《科学》杂志审稿人的高度评价:“这是对科学的重大贡献,该论文将成为古脊椎动物学的一篇关键论文,展示了人们期待已久的、最可信的解剖结构化石证据,解决了寒武纪干群脊椎动物争议问题。他们所展示的信息是一个里程碑,在未来的许多年里,即使更高分辨率的研究也难以超越。”(记者 金凤)

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