跨越千萬年的演化謎團:“邊城魚”演繹牙頜進化“無字天書”

遠古生物總能為人類認識自己、了解自己提供“蛛絲馬跡”。例如,人類牙齒的形成或許就與數億年前的一種魚有關。

近日,中國科學院古脊椎動物與古人類研究所研究員朱敏團隊在重慶秀山縣發現了一條完整保存的全新志留紀有頜魚類“袖珍邊城魚”,其為頜與牙齒的早期演化提供了新實證。相關研究成果近日發表于《當代生物學》。秀山縣也成為目前全球第二個發現較多完整志留紀有頜類的化石點。

跨越千萬年的演化“謎團”

包括人類在內的99.8%的脊椎動物都具有頜骨,即上頜和下巴,也被統稱為有頜類。

“頜的出現是生命演化史最重要的躍升之一,古生物學界非常關注有頜魚類的起源和早期演化。”論文通訊作者之一、中國科學院古脊椎動物與古人類研究所副研究員朱幼安告訴《中國科學報》。

有頜類的起源可以追溯到4.44億年前的奧陶紀。然而,直到2000多萬年后的泥盆紀才開始大量出現有頜類化石,其間的志留紀有頜魚類化石僅有零散的鱗片和棘刺,這使得有頜類在這段長達數千萬年的演化歷史中成為了一段“無字天書”。

朱幼安指出,長期以來,人們不清楚最早期的有頜類到底是什么形態,也不清楚像硬骨魚類、軟骨魚類這樣流線型的靈活魚類,是如何從“身披甲胄”的無頜甲胄魚,以及雖然已經演化出頜,但身體前半部分仍然覆蓋著外骨骼“盔甲”的盾皮魚類演化而來的。

自2007年起,朱敏帶領團隊在云南曲靖發現了志留紀瀟湘脊椎動物群,其中包括大量完整保存的有頜魚類。這使得中國成為目前唯一發現較多志留紀有頜類完整化石的國家,為全面認識有頜類的早期身體結構提供了關鍵實證資料。團隊已經發現了占據演化關鍵位置的“初始全頜魚”“長吻麒麟魚”。

“但是,由于全世界僅發現這一個地方有完整保存的志留紀有頜魚類,便有一種觀點認為,這些魚的形態不過是在局限地域里非常特化的結果,那樣的話,這些化石的信息就沒有那么重要了。”朱幼安說。

為了找到更多的志留紀有頜魚類化石,探究這個問題的真相,多年來,研究團隊幾乎踏遍全國范圍的志留紀地層,與各地地質調查部門深入合作,終于在秀山縣有了發現。

尋找第二個“家”

4.23億年前的志留紀晚期,也被稱為羅德洛世。彼時,華南古陸漂泊在赤道附近的大洋之中,海水沿著曲折凹凸的海岸線侵入陸架,形成若干巨大的海灣或內海,這些淺海成為早期水中生命的“庇護所”。

那時,處在湘渝之交的秀山地區便位于華南古陸北緣一個比當今渤海還要大的內海之中。河流在這里匯入內海,帶來了大量養分,并孕育了豐富的生命,河口和灘涂的半咸水中生長大量的原始植物,其間生活著無頜的盔甲魚類、海蝎和最早的有頜魚類。它們的遺骸被河流不斷帶來的泥沙覆蓋,并在漫長的地質時間內變成了化石。

2019年底,團隊成員、重慶地質礦產研究院博士后李強在秀山洪安邊城附近沿“川河蓋天路”踏勘志留紀含魚地層,在羅德洛統小溪組中意外發現了一塊完整對半開的有頜魚類化石。

這正是袖珍邊城魚的正型標本!

這一地層過去還從未報道過完整的有頜魚類。團隊成員們驚喜萬分,李強和朱幼安等人迅速對這塊化石展開了詳細研究。

“盡管保存非常完整,但研究這塊化石并不容易,許多微小結構已經接近粉砂巖粒度保存精度的上限,特別是埋在圍巖內部的骨片形態,經過多次高精度CT掃描,才通過沿骨片裂開的、只有幾微米寬的細微縫隙重建出來。”朱幼安說。

邊城魚的外骨骼骨甲模式和之前在曲靖瀟湘動物群中發現的麒麟魚接近,顯示它與麒麟魚、全頜魚、志留魚同屬全頜盾皮魚類。這證明該類群在當時的華南包括印支地塊廣泛分布,因此它們的一些關鍵解剖結構信息在厘清有頜類早期演化,特別是硬骨魚、軟骨魚等起源上顯得非常重要。

重要的袖珍“獵手”

全頜盾皮魚類是中國特有的一類早期有頜魚類,與現代有頜脊椎動物,即硬骨魚類和軟骨魚類共同祖先的起源密切相關。

研究團隊通過系統發育分析發現,邊城魚保存了下頜和下頜齒,它的下頜與全頜魚的邊緣頜骨十分相似,但其內側有發達的口內葉,其上可見5個較大的圓錐狀齒。這些齒的生長和排列形式與其他盾皮魚類,特別是節甲魚類的齒突相似。

因此,邊城魚的頜骨可能比全頜魚和麒麟魚更原始。這意味著它是現代魚類與節甲魚類等傳統定義的盾皮魚類頜骨及牙齒的一個過渡狀態,為現代有頜類,包括我們人類頜骨和牙齒的起源和演化提供了重要化石實證。

讓研究團隊感到欣喜的是,邊城魚化石保存相當完整,比如在盾皮魚類中很少發現完整的鰭,邊城魚就保存了這部分結構。它的鰭有發達鱗片覆蓋的肉質“柄”狀部分,而鰭條部分則只有外側狹窄的一圈。這與常見魚類的透明、折扇狀魚鰭十分不同。

“有意思的是,邊城魚‘體形很小’,化石只有2厘米長,活著時整條魚可能也只有約4厘米長,但牙齒很大。邊城魚可能是十分兇猛的袖珍‘獵手’,以生活環境內的其他小動物,如米氏海蝎、秀山盾魚、牙形動物等為食。”朱幼安說。

目前,盡管完整的全頜盾皮魚類只在中國發現,但新發現提供的比較解剖學證據顯示,上世紀末在越南志留紀地層中發現的零星盾皮魚類骨片也應屬于全頜盾皮魚類,指示印支地塊和華南地塊在志留紀有非常密切的古地理聯系。

朱幼安表示,袖珍邊城魚只是邊城動物群報道的第一條有頜魚類。他們在同一層位還發現了其他有頜類和無頜類的化石,并在重慶志留紀地層其他地點也發現了重要化石,目前正在挖掘研究當中。

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