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重庆发现4.36亿年前完整有颌类特异埋藏化石库

9月28日,中国科学院召开“从鱼到人”探源研究重大成果新闻发布会,上游(电视剧)新闻记者从发布会上获悉,中国科学院古脊椎动物与古人类研究所朱敏院士团队与来自重庆市规划和自然资源局、曲靖师范学院等单位学者合作,在有颌类起源与早期演化研究方向取得重大突破。


团队在重庆秀山发现一个具有大量鱼类完整身体保存的特异埋藏化石群——“重庆特异埋藏化石库”,这个化石群大量保存志留纪早期完整有颌鱼类化石的生物群,堪称“有颌鱼类的黎明”。这是继澄江生物群、热河生物群之后,又一个在我国发现的、为探索生命之树演化重要节点提供大量关键证据的特异埋藏化石库,将完整有颌类的化石记录大大前推了1100万年,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。


9月28日,英国《自然》杂志在线发表的中国科学院古脊椎动物与古人类研究所朱敏院士团队4篇学术论文,包括了对发现在重庆秀山鱼类化石的研究发现。


中国科学院古脊椎动物与古人类研究所副研究员朱幼安表示,重庆生物群化石来自重庆市秀山县志留系兰多维列统特列奇阶(志留纪早期,约~4.36亿年前)。4.36亿年前,重庆东部是华南大陆边缘的陆架,淹没在侵入华南大陆中央的扬子古海之下,从注入海湾的大河在滨海形成了大量适合鱼类生活的环境。除了鱼类外,这里还生活着许多志留纪的典型无脊椎动物,主要是节肢动物,如翼肢鲎(海蝎)和叶虾等。


重庆生物群的鱼类化石虽然保存完整,但鱼的个体通常都非常小,全长大多只有3-4厘米。团队历时近三年,使用高精度CT扫描、精细三维重建、扫描电镜元素分析、全光位图像、多元统计分析在内的多种手段,开展细致研究和反复探索,使得这些化石“吐露”了大量珍贵的解剖学信息。


▲沈氏棘鱼(左)和秀山鱼(右)。图片来源/拟石科技/ScienceApe


蠕纹沈氏棘鱼——确证鲨鱼是从“披盔戴甲”的祖先演化而来


重庆生物群中的蠕纹沈氏棘鱼,是一种软骨鱼类。软骨鱼类的早期化石记录非常稀少,且主要是微体化石。过去我国不仅没有发现过关联保存的志留纪软骨鱼类,而且泥盆纪及之后大的软骨鱼类完整化石也非常罕见。保存完好的沈氏棘鱼实现了中国志留纪-泥盆纪软骨鱼类大化石发现零的突破。不仅如此,它同时一跃成为世界上目前发现的最早的关联完好保存的软骨鱼类大化石,使得来自中国的化石成为揭示软骨鱼类起源的决定性证据。


研究显示,沈氏棘鱼的身体轮廓、大体形态、关键特征均与早期软骨鱼类——棘鱼类相似,但与其他棘鱼相比,它更接近鲨鱼等典型的软骨鱼类。它的棘刺非常少,只在背鳍前端有棘刺。更为令人惊讶的是,沈氏棘鱼竟然拥有盾皮鱼类才有的、连续包裹着整个肩带和背部的大块骨板,这是非常原始的特征,过去从未在任何软骨鱼类或硬骨鱼类中发现过。沈氏棘鱼的发现意味着,看似柔韧灵活的鲨鱼、鳐鱼等软骨鱼类,竟然有“披盔戴甲”的直系祖先。


整个古生物学史的大部分时间,以鲨鱼为代表的软骨鱼类一直被认为是有颌脊椎动物的原始状态和演化“原型”。早期研究者曾经认为,盾皮鱼类和硬骨鱼类可能起源自类似鲨鱼的祖先。近年来的一系列研究,特别是沈氏棘鱼的发现,有力地证明了事实恰恰相反,鲨鱼的软骨是次生退化而来,软骨鱼类起源于“披盔戴甲”的盾皮鱼类。



▲9月28日,中国科学院古脊椎动物与古人类研究所召开“从鱼到人”探源研究重大成果新闻发布会。 摄影/上游新闻记者 李洪鹏


奇迹秀山鱼——人类枕骨由盾皮鱼头顶骨片演化而来


朱敏院士团队发现重庆生物群另一种有颌鱼类,叫奇迹秀山鱼,秀山鱼(Xiushanosteus mirabilis)属于盾皮鱼类。盾皮鱼类是一群原始有颌类的集合,它们介于无颌的甲胄鱼和更进步的硬骨鱼和软骨鱼之间,对探究颌与有颌类起源具有非常重要的演化意义。但是,过去大部分盾皮鱼类均发现于泥盆纪地层中,已经经过两千多万年的分异和特化。关于它们到底还保留了多少有颌类原始特征,长期以来存在争议。秀山鱼在时代上大大靠近有颌类的起源时间点,它并不能被归到任何过去已知的盾皮鱼类类群中,而是糅合了多个“盾皮鱼”大类的特征。因此它与后来其他盾皮鱼类共享的特征,很可能是有颌类的原始特征。


除此之外,秀山鱼还拥有一些在演化上有重大意义的特点。比如,绝大多数有颌类都有可活动的颈关节,而无颌的甲胄鱼类则头与躯甲连为一体,不能活动。秀山鱼虽然是有颌类,但它的颈部几乎不能活动。所有秀山鱼标本均显示它的头甲中间有一道横向的裂隙,在功能上代偿不可动的颈关节,使得头能在呼吸和摄食时抬起与落下。这道裂隙将在硬骨鱼中形成新的头——颈界线,使得其后的骨片从颅顶分离出去,人类与颈部相连的枕骨即由秀山鱼头顶这道裂隙前的骨片(中央片,或称后顶骨)演化而来。



▲灵动土家鱼生态复原图。图片来源/拟石科技/ScienceApe


灵动土家鱼——世界上第一个具有完整身体保存的盔甲鱼类化石


在重庆特异埋藏化石群里,研究团队找到了世界上第一个具有完整身体保存的盔甲鱼类化石,并给它取了一个非常生动的名字——灵动土家鱼!


属名“土家”,主要取自化石发现地湘西土家族苗族自治州和秀山土家族苗族自治县中的土家族;种名“灵动”,则取自该鱼在死后埋藏的时候恰好保存了一个“鲤鱼跃龙门”的姿态,非常的灵动。灵动土家鱼的发现首次完整地揭示出盔甲鱼类身体的全貌。它全身披有菱形倾斜排列的鳞列,具有适应底栖生活的扁平的腹部,在腹部中央还保存了肛门,但是没有臀鳍;身体背部具有三个背鳍,其中前两个背鳍彼此靠得很近,具有跟异甲鱼类、花鳞鱼类一样的叉形下歪尾。


中国科学院古脊椎动物与古人类研究所盖志琨研究员表示,在灵动土家鱼的腹部发现一对纵贯全身的腹侧鳍褶,从头后部一直延伸到尾尖。这是一个巨大的惊喜,因为之前人们一直认为盔甲鱼类完全没有成对的偶鳍。这一发现不仅为100多年前的“鳍褶理论”提供了关键的化石证据,而且与现代分子发育生物学的数据高度吻合。古生物化石证据与发育生物学的交叉印证,使得脊椎动物成对附肢的起源研究跟颌起源研究一样成为演化—发育生物学的一个经典案例。


研究团队运用计算机流体力学模拟实验和性状大数据等新技术方法,对土家鱼的腹侧鳍褶进行了综合分析。研究人员感慨地说,鱼祖先在志留纪早期就了解并利用了现代水翼船的“水翼”原理,率先演化出世界上最古老的“水翼”结构,这比人类发明水翼船整整早了4.36亿年。在此后4亿多年的时间里,脊椎动物成对附肢经历了由成对的鳍向四肢,再由四肢到翅膀(鸟类),甚至四肢又退化为“鳍”(鲸)或完全退化(蛇)等一系列演化过程。研究人员认为,盔甲鱼类鳍褶演化出的附肢,是今天鱼类、陆地四足动物、鸟类、鲸鱼、蝙蝠,甚至人类运动的基础。

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