魚類竟然是人類的祖先

張文韜

新聞鏈接：近日，中國科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所朱敏院士團(tuán)隊(duì)找到了全球最古老的有頜類牙齒化石，發(fā)現(xiàn)了最古老的一批古魚類化石，揭示了有頜脊椎動(dòng)物的崛起過程。《自然》雜志以封面文章形式同期發(fā)表該團(tuán)隊(duì)的4篇學(xué)術(shù)論文，集中報(bào)道了這批有關(guān)有頜類起源與最早期演化的研究成果。

如果沒有頜，生命將不可想象；如果沒有頜，巨大的噬人鯊、兇殘的恐龍、猙獰的劍齒虎和喋喋不休的人類將一無是處。頜的起源可能是脊椎動(dòng)物進(jìn)化史上最為重要和意義最為深遠(yuǎn)的一次演化事件。頜是什么？頜就是可以上下開閉的嘴巴，而頜骨就是上頜與下巴。4.5億年前，一些原始的脊椎動(dòng)物發(fā)育出了上下頜，大大提高了取食和適應(yīng)能力。有頜脊椎動(dòng)物迅速向更廣闊的生態(tài)位輻射演化，演化出包括人類在內(nèi)的絕大多數(shù)脊椎動(dòng)物。

可以說，有頜類的出現(xiàn)與崛起是“從魚到人”的脊椎動(dòng)物演化史上最關(guān)鍵的躍升之一。然而，這一躍升具體發(fā)生在何時(shí)、何地，又是如何發(fā)生的？這些問題長(zhǎng)期以來缺乏關(guān)鍵的化石證據(jù)，古脊椎動(dòng)物學(xué)巨擘阿爾弗雷德·羅美爾曾經(jīng)將其稱為“古生物學(xué)史上一個(gè)頑固存在的重大空白”。此次中國研究團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)，正好填補(bǔ)了這一空白。

2個(gè)化石群

近十年來，朱敏團(tuán)隊(duì)踏遍我國志留紀(jì)地層可能含魚的200多個(gè)地點(diǎn)，終于在華南志留紀(jì)早期地層中發(fā)現(xiàn)“重慶特異埋藏化石庫”和“貴州石阡化石庫”，并在其中發(fā)現(xiàn)大量保存完整的志留紀(jì)早期魚類化石，找到了破解有頜類崛起與最初輻射分化之謎的鑰匙。

“貴州石阡化石庫”時(shí)代為志留紀(jì)蘭多維列世埃隆期最晚期，約4.39億年前，含有數(shù)量多、保存好的有頜類微體化石，其中含有所有有頜脊椎動(dòng)物中已知的最古老的牙齒。

“重慶特異埋藏化石庫”時(shí)代為志留紀(jì)蘭多維列世特列奇期，約4.36億年前，是目前世界上唯一保存有志留紀(jì)早期完整有頜類化石的特異埋藏化石庫。這是繼澄江生物群、熱河生物群之后，又一個(gè)在我國發(fā)現(xiàn)的、為探索生命之樹演化重要節(jié)點(diǎn)提供大量關(guān)鍵證據(jù)的世界級(jí)特異埋藏化石庫。它的發(fā)現(xiàn)將完整有頜類的化石記錄前推了1100萬年，將若干人類身體結(jié)構(gòu)的起源追溯到4.36億年前的化石魚類中。這里發(fā)現(xiàn)的古魚化石不僅數(shù)量眾多、種類齊全，而且保存十分完整、精美，讓我們得以一窺志留紀(jì)初期脊椎動(dòng)物特別是有頜類的全貌。

5種魚

研究團(tuán)隊(duì)在發(fā)表的論文中應(yīng)用高精度CT、流體動(dòng)力學(xué)模擬等新技術(shù)新方法，向世界首次展示出最早有頜類的牙齒、頭部、身體以及偶鰭的雛形等過去完全未知的最早有頜類的身體結(jié)構(gòu)與解剖學(xué)信息，為解答“從魚到人”探源最初階段的一系列重要科學(xué)問題提供了確鑿證據(jù)，改寫了有頜脊椎動(dòng)物早期演化歷史的各個(gè)方面。下面我們介紹一下在論文中亮相的5種魚：

1.有頜的奇跡秀山魚

“秀山”即為化石的發(fā)現(xiàn)地；“奇跡”指志留紀(jì)早期完整有頜魚類奇跡般的發(fā)現(xiàn)。其屬于盾皮魚類，在時(shí)代上大大靠近有頜類的起源時(shí)間點(diǎn)，它糅合了多個(gè)盾皮魚大類的特征。因此它與后來的其他盾皮魚類共享的特征，很可能是有頜類的原始特征。

除此之外，奇跡秀山魚還擁有一些在演化上具有重大意義的特點(diǎn)。比如，絕大多數(shù)有頜類都有可活動(dòng)的頸關(guān)節(jié)，無頜的甲胄魚類則頭與軀甲連為一體，不能活動(dòng)?？善孥E秀山魚雖然是有頜類，但它的頸部幾乎不能活動(dòng)。所有奇跡秀山魚標(biāo)本均顯示它的頭甲中間有一道橫向的裂隙，在功能上代替不可動(dòng)的頸關(guān)節(jié)，使其頭能在呼吸和攝食時(shí)抬起與落下。這道裂隙將在硬骨魚中形成新的頭頸界線，從而讓骨片從顱頂分離出去，人類身體中與頸部相連的枕骨即是由奇跡秀山魚頭頂這道裂隙前的骨片演化而來的。

2.有頜的蠕紋沈氏棘魚

“沈氏”是為了紀(jì)念著名作家沈從文，化石發(fā)現(xiàn)地在他最著名的小說《邊城》中故事發(fā)生地的原址附近；“蠕紋”指這條魚的大塊骨板上的蠕蟲狀紋飾。它是迄今所知最早的保存完好的軟骨魚化石，是揭示軟骨魚類起源的決定性證據(jù)。

蠕紋沈氏棘魚的身體輪廓、大體形態(tài)、關(guān)鍵特征均與早期軟骨魚類——棘魚類相似，但與其他棘魚相比，它更接近鯊魚等典型的軟骨魚類。它的棘刺非常少，只在背鰭前端有棘刺。更為令人驚訝的是，蠕紋沈氏棘魚竟然擁有盾皮魚類才有的、連續(xù)包裹著整個(gè)肩帶和背部的大塊骨板，這是非常原始的特征，從未在任何軟骨魚類或硬骨魚類中發(fā)現(xiàn)過。蠕紋沈氏棘魚的發(fā)現(xiàn)意味著看似柔韌靈活的鯊魚、鰩魚等軟骨魚類，竟然有“披甲戴盔”的直系祖先。

過去，以鯊魚為代表的軟骨魚類一直被認(rèn)為是有頜脊椎動(dòng)物的原始狀態(tài)和演化原型。早期研究者曾經(jīng)認(rèn)為，盾皮魚類和硬骨魚類可能起源自類似鯊魚的祖先。但近年來的一些發(fā)現(xiàn)，特別是本次蠕紋沈氏棘魚的發(fā)現(xiàn)，有力地證明了事實(shí)恰恰相反，鯊魚的軟骨是次生退化而來，軟骨魚類起源于“披甲戴盔”的盾皮魚類。

3.無頜的靈動(dòng)土家魚

“土家”取自化石發(fā)現(xiàn)地湘西土家族苗族自治州和秀山土家族苗族自治縣；“靈動(dòng)”則來源于該魚化石呈現(xiàn)出鯉魚躍龍門的靈動(dòng)姿態(tài)。脊椎動(dòng)物的成對(duì)附肢的起源，是重要的生物演化創(chuàng)新事件，其起源的問題跟頜的起源問題一樣，也一直是演化—發(fā)育生物學(xué)的熱點(diǎn)問題。目前已經(jīng)有充分胚胎和化石證據(jù)證明，包括我們?nèi)祟愒趦?nèi)的四足動(dòng)物的四肢都是從魚類的偶鰭（胸鰭和腹鰭）演化而來的，而關(guān)于魚類偶鰭起源的理論模型，學(xué)術(shù)界長(zhǎng)期以來主要有“鰓弓假說”和“鰭褶假說”兩種流行的學(xué)說在爭(zhēng)論不休。

在靈動(dòng)土家魚的腹部發(fā)現(xiàn)的一對(duì)縱貫全身的腹側(cè)鰭褶，為脊椎動(dòng)物成對(duì)附肢起源的“鰭褶假說”提供了非常關(guān)鍵的化石證據(jù)。

4.有頜的雙列黔齒魚

“黔”即為貴州省的簡(jiǎn)稱，“雙列”指該屬種的齒旋具有一對(duì)主齒列。研究團(tuán)隊(duì)在貴州志留紀(jì)早期地層中開展了十余年的野外工作，終于在從野外采回的近4噸魚類微體化石樣品中，發(fā)現(xiàn)了23枚有頜類牙齒標(biāo)本，其年代可以追溯至約4.39億年前。這些牙齒是迄今為止有頜類出現(xiàn)的最早、最直觀的證據(jù)，將牙齒的最早化石記錄往前推了1400萬年。經(jīng)研究，雙列黔齒魚隸屬軟骨魚類全群，這一結(jié)論為在奧陶紀(jì)生物大幅射時(shí)期（約4.85至4.5億年前）出現(xiàn)有頜脊椎動(dòng)物提供了支持。

5.新塑梵凈山魚

“梵凈山”即發(fā)現(xiàn)地山名，“新塑”意指這個(gè)物種膜質(zhì)骨骼的再生發(fā)育機(jī)制。新塑梵凈山魚代表了最早的具有關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的有頜類。研究團(tuán)隊(duì)將其歸入軟骨魚類干群——柵棘魚類之中，是古老的鯊魚的近親。新發(fā)現(xiàn)顯示，早在志留紀(jì)早期，原始軟骨魚類就已經(jīng)演化出典型的柵棘魚形態(tài)，同時(shí)具有硬骨魚類的組織學(xué)特征，將原本沒有爭(zhēng)議的軟骨魚類的最早出現(xiàn)時(shí)間前推至志留紀(jì)早期，為有頜類在志留紀(jì)早期就開始了輻射演化提供了強(qiáng)有力的支持。

此次中國研究團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)，在古生物學(xué)史上第一次大規(guī)模展示了志留紀(jì)魚群特別是有頜類的面貌，揭示了早期有頜類崛起的過程：最遲到4.4億年前，有頜類各大類群已經(jīng)在華南地區(qū)大量繁殖；到志留紀(jì)晚期，更多樣、更大型的有頜類屬種出現(xiàn)并開始擴(kuò)散到全球，開啟了魚類登陸并最終演化成為人類的進(jìn)程。研究成果填補(bǔ)了“從魚到人”演化史上缺失的最初始環(huán)節(jié)，更新了對(duì)有頜類起源與崛起的傳統(tǒng)認(rèn)知，進(jìn)一步夯實(shí)了“從魚到人”的演化路徑?？梢灶A(yù)見，“重慶特異埋藏化石庫”和“貴州石阡化石庫”未來還將繼續(xù)為解開有頜類起源的重重謎團(tuán)做出貢獻(xiàn)。

（文章根據(jù)科學(xué)大院公眾號(hào)刊登的相關(guān)文章整編。）

/欄目責(zé)編：黃 茜/