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環(huán)球播報(bào):30年研究終為云南蟲(chóng)“正名”

2022-07-14 23:02:09來(lái)源:瀟湘晨報(bào)

云南蟲(chóng)生態(tài)復(fù)原圖趙方臣指導(dǎo)楊定華繪雖然有點(diǎn)不可思議,但此前的研究已經(jīng)證實(shí),生命的演化是從水生動(dòng)物到兩棲動(dòng)物,再到陸生動(dòng)物,最后出現(xiàn)了

云南蟲(chóng)生態(tài)復(fù)原圖 趙方臣指導(dǎo) 楊定華繪

雖然有點(diǎn)不可思議,但此前的研究已經(jīng)證實(shí),生命的演化是從水生動(dòng)物到兩棲動(dòng)物,再到陸生動(dòng)物,最后出現(xiàn)了人類。

在生命的演化歷程中,人類所屬譜系——脊椎動(dòng)物的演化是最為壯麗的篇章之一,有關(guān)脊椎動(dòng)物起源的問(wèn)題始終是最吸引人的科學(xué)熱點(diǎn)。


【資料圖】

20世紀(jì)90年代,中科院南京地質(zhì)古生物研究所(以下簡(jiǎn)稱南京古生物所)研究員侯先光首次在云南澄江帽天山發(fā)現(xiàn)了云南蟲(chóng)化石,并推測(cè)其可能是最早的脊椎動(dòng)物,這在學(xué)術(shù)界掀起了一場(chǎng)跨世紀(jì)的質(zhì)疑和爭(zhēng)論。

如今,終于可以蓋棺論定。南京古生物所研究員朱茂炎團(tuán)隊(duì)和南京大學(xué)教授姜寶玉課題組合作發(fā)現(xiàn),5.18億年前的寒武紀(jì)澄江動(dòng)物群產(chǎn)出的云南蟲(chóng)的咽弓具有脊椎動(dòng)物獨(dú)有的細(xì)胞軟骨結(jié)構(gòu),進(jìn)而確認(rèn)云南蟲(chóng)是脊椎動(dòng)物的最原始類群。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《科學(xué)》。

飽受爭(zhēng)議的起源問(wèn)題

演化生物學(xué)家通常根據(jù)現(xiàn)生頭索動(dòng)物文昌魚(yú)的特征,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(méi)有得到化石證據(jù)的支撐。

1991年以來(lái),在距今約5.18億年的中國(guó)云南澄江動(dòng)物群,南京古生物所科研人員發(fā)現(xiàn)了多種脊索動(dòng)物,包括基干脊椎動(dòng)物昆明魚(yú)和分類位置存疑的云南蟲(chóng)。這些化石是迄今世界上最古老的脊索動(dòng)物,是解開(kāi)脊椎動(dòng)物起源和早期演化之謎的珍貴材料。

“脊索動(dòng)物包括尾索動(dòng)物、頭索動(dòng)物和脊椎動(dòng)物?!闭撐耐ㄓ嵶髡?、南京古生物所研究員趙方臣告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》,“不同于具有典型脊椎動(dòng)物特征的昆明魚(yú),云南蟲(chóng)形態(tài)更接近頭索動(dòng)物文昌魚(yú),它在脊椎動(dòng)物起源和后口動(dòng)物系統(tǒng)樹(shù)上的位置一直存在爭(zhēng)議?!?/p>

1995年,根據(jù)新采集的云南蟲(chóng)化石,南京古生物所研究員陳均遠(yuǎn)等人在《自然》發(fā)表論文,首次將云南蟲(chóng)解讀為脊索動(dòng)物的最早祖先。

由于當(dāng)時(shí)的帽天山化石遺址已被保護(hù)起來(lái),很難再挖掘,陳均遠(yuǎn)將目光投向了幾十公里外的昆明??阪?zhèn)。那里有著與帽天山同時(shí)代的沉積巖,極有可能存在大量類似化石。

果然,陳均遠(yuǎn)等人在昆明??诘貐^(qū)又發(fā)現(xiàn)了大量云南蟲(chóng)新標(biāo)本。他們?cè)谶@些標(biāo)本上開(kāi)展了更加精細(xì)的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)研究,并在此基礎(chǔ)上將云南蟲(chóng)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(yú)和脊椎動(dòng)物七鰓鰻之間。

上述成果于1999年在《自然》發(fā)表后,在學(xué)術(shù)界掀起了有關(guān)云南蟲(chóng)分類位置的大討論。

不同學(xué)者對(duì)云南蟲(chóng)保存各異的軟體組織細(xì)節(jié)的解釋存在較大分歧。云南蟲(chóng)自首次被報(bào)道以來(lái),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。

趙方臣指出,云南蟲(chóng)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(kāi)展脊椎動(dòng)物起源的研究。

127塊標(biāo)本,從微觀揭秘

2018年,論文第一作者田慶羿開(kāi)始從事與云南蟲(chóng)相關(guān)的研究。他發(fā)現(xiàn)云南蟲(chóng)的研究論文非常多,至少有二三十篇高水平研究論文。

“幾乎大部分的宏觀結(jié)構(gòu)都被前人反復(fù)描述研究過(guò)了,公說(shuō)公有理,婆說(shuō)婆有理。所以我在研究一開(kāi)始的時(shí)候非常迷茫,停滯了很久也沒(méi)有找到突破點(diǎn)?!碧飸c羿說(shuō)。

既然常規(guī)的形態(tài)學(xué)研究無(wú)法達(dá)成共識(shí),通過(guò)與導(dǎo)師趙方臣和姜寶玉的反復(fù)溝通和商量,田慶羿決定從微觀結(jié)構(gòu)入手?!拔覀兝萌SX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,希望從微觀解剖學(xué)結(jié)構(gòu)著手去破解這一謎題?!?/p>

2003年,陳均遠(yuǎn)及其合作者曾提出云南蟲(chóng)鰓弓可能具有細(xì)胞軟骨。“根據(jù)這一重要線索,我們對(duì)海口地區(qū)產(chǎn)出的127塊云南蟲(chóng)標(biāo)本的鰓弓結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,并首次在云南蟲(chóng)咽弓上發(fā)現(xiàn)了微納尺度三維保存的疊盤(pán)狀細(xì)胞結(jié)構(gòu)和蛋白微原纖維構(gòu)造?!碧飸c羿介紹道。

正是這兩個(gè)特征,證明云南蟲(chóng)具有脊椎動(dòng)物獨(dú)有的、由細(xì)胞軟骨構(gòu)成的咽弓,進(jìn)而表明云南蟲(chóng)屬于原始脊椎動(dòng)物。

進(jìn)一步的研究結(jié)果證實(shí),云南蟲(chóng)處于脊椎動(dòng)物譜系的最基干位置,介于尾索動(dòng)物和其他脊椎動(dòng)物(包括現(xiàn)生和化石物種)之間。

對(duì)于云南蟲(chóng)此前備受爭(zhēng)議的第一對(duì)咽弓,在新標(biāo)本相當(dāng)于第一對(duì)咽弓的位置上,研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了與后部其他鰓弓一樣的疊盤(pán)狀細(xì)胞結(jié)構(gòu)、鰓絲和蛋白微原纖維等。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)定,云南蟲(chóng)擁有從前到后彼此相似、都具有細(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(yú)身上。

早在19世紀(jì),解剖學(xué)家們就已經(jīng)提出了脊椎動(dòng)物咽弓同源理論假說(shuō),云南蟲(chóng)相似的7對(duì)系列咽弓的發(fā)現(xiàn)支持了這一假說(shuō),即魚(yú)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。

田慶羿解釋說(shuō),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,不同位置的咽弓彼此相似。

一個(gè)里程碑式的工作

后斯普里格魚(yú)的研究論文于1993年發(fā)表,科研人員通過(guò)約100塊新標(biāo)本的研究,終于發(fā)現(xiàn)了脊椎動(dòng)物樣式的頭部,2014年其被認(rèn)定是脊椎動(dòng)物;云南蟲(chóng)的研究論文1991年發(fā)表,通過(guò)對(duì)127塊標(biāo)本進(jìn)行微觀尺度的研究,2022年其被認(rèn)定是原始脊椎動(dòng)物。

為什么從發(fā)現(xiàn)到認(rèn)定為脊椎動(dòng)物需要這么長(zhǎng)的時(shí)間呢?田慶羿解釋道:“云南蟲(chóng)一直缺少普遍認(rèn)可的脊椎動(dòng)物的宏觀特征,幾十年后的今天,有了前沿的分析技術(shù),我們才終于找到了關(guān)鍵的微觀特征?!?/p>

“地球上很多生命沒(méi)有被保存下來(lái),但我們幸運(yùn)地找到了生命的證據(jù)——化石。”趙方臣希望正在英國(guó)訪學(xué)的田慶羿能在開(kāi)拓視野的同時(shí),利用我國(guó)天然的化石寶庫(kù)做更多前沿研究。

“這篇論文不僅認(rèn)定了現(xiàn)生脊椎動(dòng)物最古老的近親——云南蟲(chóng),還為揭示脊椎動(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)影響。”朱茂炎指出,從另外一個(gè)角度來(lái)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。

評(píng)審人對(duì)該研究給出了很高的評(píng)價(jià):“這是對(duì)科學(xué)的重大貢獻(xiàn),將成為古脊椎動(dòng)物學(xué)的一篇關(guān)鍵論文,它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(wèn)題。在未來(lái)的許多年里,更高分辨率的研究可能也難以超越。這是一個(gè)里程碑式的工作?!?/p>

相關(guān)論文信息:https://doi.org/10.1126/science.abm2708

來(lái)源:中國(guó)科學(xué)報(bào)

關(guān)鍵詞: 脊椎動(dòng)物 頭索動(dòng)物 脊索動(dòng)物 后口動(dòng)物 分類位置

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