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中国科学家10年研究拨开“从鱼到人”关键演化的重重迷雾

来源:中国新闻网 时间:2022-09-30 09:51:45

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中科院古脊椎所研究团队代表朱幼安副研究员、盖志琨研究员、朱敏院士、卢静研究员(从左至右)合影。 <a target='_blank' href='/'>中新社</a>记者 孙自法 摄

中科院古脊椎所研究团队代表朱幼安副研究员、盖志琨研究员、朱敏院士、卢静研究员(从左至右)合影。中新社记者孙自法摄


包括人类在内,地球上现存99.8%的脊椎动物都具有颌骨(上颌与下巴),统称为有颌脊椎动物或有颌类。有颌类的出现与崛起是“从鱼到人”的脊椎动物演化史上最关键的跃升环节之一,人类很多重要器官与身体构型都可追溯到有颌类演化之初。


来自中国志留纪早期的五种新发现鱼类艺术复原图。 张禾名 绘图


“从鱼到人”演化为何存在巨大空白?


这一最关键的跃升环节具体在何时、何地、如何发生?因化石实证的缺失而一直笼罩在重重迷雾之中。此前,有颌类直到志留纪(距今约4.44亿年-4.19亿年)晚期约4.25亿年前才出现较完善的化石记录,而分子钟推断有颌类起源时间不晚于4.5亿年前的奥陶纪(距今约4.85亿年-4.44亿年)晚期,其早期演化因此存在一段绵延约3000万年、横跨整个志留纪的巨大空白,也被誉为“从人到鱼”演化探源的一个“幽灵支系”。


中国科学院古脊椎动物与古人类研究所(中科院古脊椎所)朱敏院士团队“十年磨一剑”,对重庆、贵州等地志留纪早期距今约4.4亿年地层中首次发现的5种古鱼化石,进行详细分析和深入研究,将有颌类牙齿最早化石证据、完整有颌类化石记录分别前推1400万年和1100万年,从而填补了全球志留纪早期有颌类化石记录的重要空白,并首次为有颌类的崛起与最早期辐射分化提供出确切证据。


由中国科学家完成的这项“从鱼到人”探源研究重大突破成果一组四篇论文,北京时间9月28日夜间在国际著名学术期刊《自然》集中上线发表,并于29日以封面文章形式同期出版。


朱敏院士科普解读“从鱼到人”探源研究最新成果。 <a target='_blank' href='/'>中新社</a>记者 孙自法 摄

朱敏院士科普解读“从鱼到人”探源研究最新成果。 孙自法摄


5种古鱼化石研究有哪些重要发现?


朱敏院士在论文发表前夕接受采访介绍说,近十年来,他带领团队踏遍中国志留纪地层可能含鱼的200多个地点,终于在华南志留纪早期地层中发现“重庆特异埋藏化石库”和“贵州石阡化石库”,发现大量特异埋藏保存的完整志留纪早期鱼类化石,找到了解开有颌类最初崛起与辐射分化之谜的“钥匙”。“


贵州石阡化石库”时代为约4.39亿年前的志留纪早期,含有数量多、保存好的有颌类微体化石。其中,“双列黔齿鱼”化石的齿旋代表最古老的有颌类牙齿,将有颌类牙齿最早化石证据前推1400万年。“新塑梵净山鱼”棘刺的发现显示,早在志留纪早期,原始软骨鱼类已演化出典型的栅棘鱼形态,同时具有硬骨鱼类的组织学特征。这些研究进展,也让奥陶纪、志留纪鱼类鳞片和棘刺化石分类位置的长期争论尘埃落定。


约4.36亿年前的“重庆特异埋藏化石库”,是目前世界上唯一保存志留纪早期完整有颌类化石的特异埋藏化石库,堪称“鱼类的黎明”。它是继澄江生物群、热河生物群之后,又一个在中国发现的、为探索生命之树演化重要节点提供大量关键证据的世界级特异埋藏化石库,将完整有颌类的化石记录前推1100万年,并将若干人类身体结构的起源追溯到4.36亿年前的化石鱼类中。


朱敏指出,“重庆特异埋藏化石库”中发现的古鱼化石不仅数量众多、种类齐全,而且保存十分完整、精美,让人们得以一窥志留纪初期脊椎动物特别是有颌类的全貌。其中,无颌的盔甲鱼类“灵动土家鱼”为脊椎动物成对附肢起源提供关键化石证据;有颌的“蠕纹沈氏棘鱼”是迄今所知最早的保存完好的软骨鱼,确证鲨鱼是从“披盔戴甲”的祖先演化而来;另一种有颌鱼类“奇迹秀山鱼”则糅合多个盾皮鱼大类的特征,为探究有颌类生命之树根部主要类群的起源,以及脊椎动物头骨演化提供了珍贵资料。


朱敏院士展示“从鱼到人”探源研究成果论文的《自然》封面图片。 <a target='_blank' href='/'>中新社</a>记者 孙自法 摄

朱敏院士展示“从鱼到人”探源研究成果论文的《自然》封面图片。孙自法摄


有颌类最新研究进展有何意义与影响?


朱敏表示,“重庆特异埋藏化石库”和“贵州石阡化石库”及此次5种鱼的发现和研究,在古生物学史上第一次大规模展示了志留纪鱼群特别是有颌类的面貌,揭示出早期有颌类崛起的过程——最迟在4.4亿年前,有颌类各大类群已经在华南地区涌现并欣欣向荣,“可以说,华南是有颌类在地球上崛起、辐射与分化的‘摇篮’和中心”;到志留纪晚期,更多样、更大型的有颌类属种出现并开始扩散到全球,开启了鱼类登陆并最终演化成为人类的进程。


研究团队应用高精度CT(计算机断层扫描)、性状大数据分析、流体动力学模拟等新技术新方法,对重庆、贵州两处化石库5种鱼化石进行研究,向世界首次展示出最早有颌类的牙齿、头部、身体以及偶鳍的雏形等过去完全未知的最早有颌类身体结构与解剖学信息,为解答“从鱼到人”探源最初阶段的一系列重要科学问题提供确凿证据,也改写了有颌脊椎动物早期演化历史的各个方面。


中国科学家在有颌类最早期分化、重要器官和身体构型演化等重要科学问题的探索中取得新进展,刷新了传统认知。同时,这次将很多与人类相关的解剖学结构追溯到4.4亿年前的远古鱼类,填补了“从鱼到人”演化史上缺失的最初始环节,既是对有颌类起源与崛起传统认知的更新,也进一步夯实“从鱼到人”的演化路径。


对中国同行关于有颌类研究的最新进展,国际古脊椎动物学会前主席、澳大利亚弗林德斯大学约翰·朗(John Long)教授撰文称,“这确实是令人惊叹、改变演化格局的化石发现,改写了有颌脊椎动物早期演化历史的几乎所有方面”。


科研人员展示本次研究的一件古鱼化石标本。 <a target='_blank' href='/'>中新社</a>记者 孙自法 摄

科研人员展示本次研究的一件古鱼化石标本。 孙自法摄


未来如何进一步开展有颌类相关研究?


作为国际顶级学术期刊,《自然》同期集中发表同一团队的四篇研究论文也颇为罕见,在朱敏院士看来,这一方面是他们团队长期坚守的一项收获,另一方面也说明国际学术界对中国团队研究工作的认可,同时体现出中国科学家在古生物研究领域具有重要的国际地位。


在本次取得重要突破成果基础上,中国科研团队后续对有颌类研究有何规划与安排?朱敏坦言,对志留纪早期的研究工作,目前报道出来的只是很小的一部分,重庆、贵州两个化石库发现的大量鱼化石研究还会持续很长一段时间。


同时,在同时代的地层中,还要对有颌类化石开展更广泛的搜寻,目前包括分子钟和零散的化石记录,都指示有颌类起源其实可能发生在4.5亿年前甚至更早,而本次研究的最古老有颌类化石是约4.39亿年前,之间仍有很多化石记录的空白,需要古生物学家到更老的、志留纪最早期甚至奥陶纪的地层里去搜寻,这也是今后富有挑战性的野外工作领域。


朱敏指出,实际上还有很多环境背景方面的研究也需要开展,帮助人们更好地认识有颌类早期如何发生辐射演化:为什么在奥陶纪没有发生辐射演化?而在志留纪早期发生辐射演化?华南当时是什么样的地质环境?在奥陶纪晚期和志留纪早期,华南的环境有什么不同?对有颌类辐射演化有什么影响?


他认为,“从鱼到人”演化辐射未来仍然有很多科学问题需要持续和深入研究,所以本次发现及研究取得的进展,仅仅是“万里长征的第一步”,后续还有非常重要的研究工作,也会进一步带来新的认识,甚至更多的惊喜。


朱敏表示,科学研究是一个逐步探索的过程,“从鱼到人”的探源,其实越往前追溯,未知的东西会越多,也对研究团队提出很多新的挑战。可以预见,此次新发现的“重庆特异埋藏化石库”和“贵州石阡化石库”,未来还将继续为解开围绕有颌类起源的更多谜团不断做出贡献。


原题:4亿多年前这5种鱼拨开“从鱼到人”关键演化的重重迷雾