中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所研究員趙方臣展示原始脊椎動(dòng)物云南蟲化石。 本文圖片 科技日?qǐng)?bào)

云南蟲生態(tài)復(fù)原圖楊定華繪圖。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)海口地區(qū)產(chǎn)出的127塊云南蟲標(biāo)本的鰓弓結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，首次在云南蟲咽弓上發(fā)現(xiàn)了微納尺度三維保存的疊盤狀細(xì)胞結(jié)構(gòu)和蛋白微原纖維構(gòu)造。這證明云南蟲具有脊椎動(dòng)物獨(dú)有的、由細(xì)胞軟骨構(gòu)成的咽弓，屬于原始脊椎動(dòng)物。

(資料圖)

現(xiàn)代脊椎動(dòng)物從何而來？最古老的脊椎動(dòng)物長(zhǎng)什么樣？這些重大科學(xué)問題一直吸引著古生物學(xué)家不斷探尋。

位于我國(guó)云南的澄江動(dòng)物群，保存了大量脊椎動(dòng)物的祖先類群。

此前，學(xué)界普遍認(rèn)為最古老的脊椎動(dòng)物是來自澄江動(dòng)物群的昆明魚，并推測(cè)脊椎動(dòng)物的祖先是一類具有脊索、背神經(jīng)管和鰓裂的后口動(dòng)物。然而，這一假想始終沒有得到化石證據(jù)的支撐。

如今，這一謎團(tuán)終于被破解。

7月8日，國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》刊發(fā)南京大學(xué)姜寶玉教授課題組和中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所研究員朱茂炎領(lǐng)導(dǎo)的“地球—生命系統(tǒng)早期演化”團(tuán)隊(duì)的研究成果，確認(rèn)了我國(guó)5.18億年前澄江動(dòng)物群中的云南蟲是脊椎動(dòng)物的最原始類群。

云南蟲身份界定一度存爭(zhēng)議

距今約5.05億年的加拿大布爾吉斯頁(yè)巖動(dòng)物群和距今約5.18億年的中國(guó)云南澄江動(dòng)物群，有豐富的、保存精美的以軟軀體結(jié)構(gòu)為特征的動(dòng)物化石。

其中，1909年已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的布爾吉斯頁(yè)巖動(dòng)物群，產(chǎn)出了頭索動(dòng)物皮卡魚和基干脊椎動(dòng)物后斯普里格魚化石，科學(xué)家在澄江動(dòng)物群中則發(fā)現(xiàn)了包括基干脊椎動(dòng)物昆明魚和分類位置存疑的云南蟲在內(nèi)的多種脊索動(dòng)物化石。這些化石是迄今為止世界上最古老的脊索動(dòng)物，為揭開脊椎動(dòng)物起源和早期演化之謎提供了珍貴材料。

從形態(tài)上看，云南蟲有點(diǎn)類似現(xiàn)在的蠕蟲，它們身體側(cè)扁，一般只有3厘米至4厘米長(zhǎng)。

“不同于具有典型脊椎動(dòng)物特征的昆明魚，云南蟲形態(tài)更接近頭索動(dòng)物文昌魚，但它在脊椎動(dòng)物起源和后口動(dòng)物系統(tǒng)樹上的位置一直存在爭(zhēng)議。論文的共同通訊作者、南京大學(xué)教授姜寶玉介紹。

1995年，《自然》雜志曾發(fā)表研究，研究將云南蟲作為最早的脊索動(dòng)物。《紐約時(shí)報(bào)》和《科學(xué)周刊》還對(duì)此作了專題評(píng)述。

在此之后，中國(guó)學(xué)者陳均遠(yuǎn)等人在昆明?？诘貐^(qū)又發(fā)現(xiàn)了大量云南蟲新標(biāo)本?；谶@些標(biāo)本更加精細(xì)的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，他們將云南蟲歸為原始有頭類，認(rèn)為其演化位置介于頭索動(dòng)物文昌魚和脊椎動(dòng)物七鰓鰻之間。這一成果1999年在《自然》雜志發(fā)表后，在學(xué)界掀起了有關(guān)云南蟲分類位置的大討論。

“由于不同學(xué)者對(duì)云南蟲保存各異的軟體組織細(xì)節(jié)的解釋存在較大差異，云南蟲自1991年被首次報(bào)道以來，被分別歸類于脊椎動(dòng)物、頭索動(dòng)物、半索動(dòng)物、后口動(dòng)物干群、甚至原始的兩側(cè)對(duì)稱動(dòng)物?！苯獙氂窠榻B，云南蟲分類位置存在的爭(zhēng)議嚴(yán)重影響了基于這類關(guān)鍵化石開展脊椎動(dòng)物起源的研究。

咽弓特殊特征助其驗(yàn)明正身

針對(duì)云南蟲分類位置之謎，在常規(guī)的形態(tài)學(xué)研究無法達(dá)成共識(shí)的情況下，研究團(tuán)隊(duì)利用三維X射線斷層掃描顯微鏡、傅里葉紅外光譜、拉曼光譜、掃描電鏡和透射電鏡等多種現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段進(jìn)行研究，希望從微觀解剖學(xué)結(jié)構(gòu)著手去破解這一謎題。

基于陳均遠(yuǎn)等學(xué)者于2003年提出的云南蟲鰓弓可能具有細(xì)胞軟骨這一重要線索，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)?？诘貐^(qū)產(chǎn)出的127塊云南蟲標(biāo)本的鰓弓結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，首次在云南蟲咽弓上發(fā)現(xiàn)了微納尺度三維保存的疊盤狀細(xì)胞結(jié)構(gòu)和蛋白微原纖維構(gòu)造。

“疊盤狀細(xì)胞結(jié)構(gòu)是軟骨細(xì)胞獨(dú)特的排列方式，而蛋白微原纖維是脊椎動(dòng)物軟骨常見的細(xì)胞間基質(zhì)的纖維結(jié)構(gòu)。這兩個(gè)特征證明云南蟲具有脊椎動(dòng)物獨(dú)有的、由細(xì)胞軟骨構(gòu)成的咽弓，表明云南蟲屬于原始脊椎動(dòng)物。”姜寶玉說。

為進(jìn)一步確定云南蟲的具體演化位置，研究團(tuán)隊(duì)整合了最新的、包括后口動(dòng)物和早期脊椎動(dòng)物化石在內(nèi)的性狀矩陣，并加入新觀察到的云南蟲性狀，采用貝葉斯算法進(jìn)行重建計(jì)算。分析結(jié)果支持云南蟲處于脊椎動(dòng)物譜系的最基干位置，介于尾索動(dòng)物和其它脊椎動(dòng)物之間。

“脊椎動(dòng)物頜的起源，也困擾了學(xué)界很久。19世紀(jì)初，有科學(xué)家提出設(shè)想，認(rèn)為在漫長(zhǎng)的演化中，鰓弓演化出頜弓和與舌弓，但此前一直沒有找到化石記錄佐證。”姜寶玉介紹，隨后的科學(xué)發(fā)現(xiàn)卻讓人對(duì)這一假說提出質(zhì)疑。

“現(xiàn)生的無頜脊椎動(dòng)物盲鰻和七鰓鰻的控制前兩個(gè)鰓弓的基因沒有發(fā)育成頜弓和舌弓，而是發(fā)育成了上下唇，發(fā)育中也看不到鰓弓的痕跡，這與有頜脊椎動(dòng)物的鰓弓不一樣?！苯獙氂裾f，此次研究中，科研人員在確認(rèn)云南蟲的“身份”后，在其相當(dāng)于第一對(duì)咽弓的位置上發(fā)現(xiàn)了與后部其他鰓弓一樣的疊盤狀細(xì)胞結(jié)構(gòu)、鰓絲和蛋白微原纖維等構(gòu)造。

因此，云南蟲擁有從前到后彼此相似、同樣具有細(xì)胞軟骨的7對(duì)咽弓。彼此相似的咽弓也出現(xiàn)在另一種寒武紀(jì)基干脊椎動(dòng)物——后斯普里格魚身上。

“云南蟲相似的7對(duì)系列咽弓的發(fā)現(xiàn)，支持解剖學(xué)家們?cè)缭?9世紀(jì)就已經(jīng)提出的脊椎動(dòng)物咽弓同源理論假說，即魚類的鰓弓是頜弓和舌弓的原型，脊椎動(dòng)物的頜弓和舌弓跟后面的鰓弓是系列同源構(gòu)造。”姜寶玉表示，這意味著，雖然現(xiàn)生脊椎動(dòng)物不同位置的咽弓會(huì)發(fā)育成頜弓、舌弓和鰓弓等形態(tài)不同的骨骼，但在脊椎動(dòng)物演化初期不同位置的咽弓是彼此相似的。

籃狀咽顱證實(shí)脊椎動(dòng)物祖先咽顱形態(tài)

姜寶玉認(rèn)為，這次研究的另一個(gè)重要新發(fā)現(xiàn)，是云南蟲的7對(duì)咽弓在腹背兩端被成對(duì)的水平軟骨連接，組成了一個(gè)類似于籃狀的咽顱。咽顱是指脊椎動(dòng)物頭部消化道周圍的一組骨片，起到支撐和保護(hù)作用，現(xiàn)生脊椎動(dòng)物的咽顱由頜弓、舌弓和鰓弓等咽弓的骨骼構(gòu)成。

“籃狀咽顱是現(xiàn)生無頜類脊椎動(dòng)物和化石無頜類真顯魚的典型特征，然而寒武紀(jì)后斯普里格魚和有頜類脊椎動(dòng)物的咽顱由一系列彼此分離的軟骨棒組成。”姜寶玉說，后斯普里格魚的這種咽顱特征引起了關(guān)于脊椎動(dòng)物祖先咽顱形態(tài)的爭(zhēng)議。出現(xiàn)更早、位于脊椎動(dòng)物最基干位置的云南蟲咽顱特征支持籃狀咽顱是更古老的祖先特征這一觀點(diǎn)。

由此可見，作為現(xiàn)生脊椎動(dòng)物最古老的近親，云南蟲為揭示脊椎動(dòng)物的起源和早期演化提供了關(guān)鍵證據(jù)，對(duì)脊椎動(dòng)物頜和其他關(guān)鍵特征演化的探索均將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

姜寶玉認(rèn)為，“從另外一個(gè)角度來看，該項(xiàng)研究再一次展示了澄江動(dòng)物群化石具有保存微納尺度精細(xì)生物學(xué)結(jié)構(gòu)的潛力?！?/p>

此次成果也得到了《科學(xué)》雜志審稿人的高度評(píng)價(jià)：“這是對(duì)科學(xué)的重大貢獻(xiàn)，該論文將成為古脊椎動(dòng)物學(xué)的一篇關(guān)鍵論文，展示了人們期待已久的、最可信的解剖結(jié)構(gòu)化石證據(jù)，解決了寒武紀(jì)干群脊椎動(dòng)物爭(zhēng)議問題。他們所展示的信息是一個(gè)里程碑，在未來的許多年里，即使更高分辨率的研究也難以超越?！?/p>