科学家利用强大X射线解决了130年之久的脊椎动物进化之谜

2022年05月26日 07:44 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

由日本RIKEN先锋研究集群(CPR)的Shigeru Kuratani领导的进化形态学实验室跟合作者一起发现了神秘的古代鱼类脊椎动物Palaeospondylus可能是包括人类在内的四肢动物的最早祖先之一的证据。该研究于5月25日发表在科学杂志《自然》上,其揭开了这种来自过去深处的奇怪动物的面纱并确定了它在进化树上的位置。

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Palaeospondylus是一种小型鱼类脊椎动物,约5厘米长,它有一个类似鳗鱼的身体,生活在约3.9亿年前的泥盆纪时期。尽管化石非常丰富,但自从1890年被发现以来,它的小尺寸及通过CT扫描和蜡像模型进行的颅骨重建的质量非常差,这使得确定它们在进化树上的位置非常困难。研究人员们认为它跟有颌鱼和无颌鱼都有共同的特征,而它的身体作为一个谜,一直令进化论科学家感到困惑。在几个不寻常的特征中,最令人困惑的是化石记录中没有牙齿或皮骨。

为了解决其中的一些问题,研究人员使用了强大的RIKEN SPring-8同步加速器以利用同步加速器辐射的X射线生成高分辨率的微型CT扫描图。此外,跟大多数使用挖掘出的化石头部的研究不同,新研究使用了精心挑选的化石,其中头部仍完全嵌入岩石中。这项研究的论文第一作者Tatsuya Hirasawa表示:“选择最好的标本进行微型CT扫描并仔细修剪掉头骨化石周围的岩石使我们能够提高扫描的分辨率。尽管不是很尖端的技术,但这些准备工作无疑是我们取得成就的关键。”

高分辨率的扫描显示了多个重要特征。首先,研究人员发现了三个半圆形的管子,其清楚地表明了有颚脊椎动物的内耳形态。这解决了一个问题,因为以前的研究表明,Palaeospondylus在进化上更接近于原始的无颌脊椎动物。接下来,他们发现了关键的颅骨特征,进而将Palaeospondylus归入四足动物类别,该类别是由四足动物--四肢动物及其最接近的古代亲属组成。一些分析显示,Palaeospondylus跟有肢体的四足动物的关系比跟其他许多仍保留鳍的已知四足动物的关系更密切。

然而跟一般的四足动物不同,牙齿、皮骨和成对的附属物从未跟Palaeospondylus化石联系在一起,尽管这些特征很容易在苏格兰Achanarras鱼床中生活在同一时间和同一地点的其他动物的化石中找到。缺乏这些特征可以解释为一组发育特征的分裂,从而导致了类似幼虫的身体。Hirasawa指出:“这些特征是否在进化中丧失或正常的发育在化石中半途冻结,可能永远不会知道。尽管如此,这种异步进化可能促进了像四肢这样的新特征的发展。”

Kuratani和他的研究小组并没有将他们对早期脊椎动物进化的研究局限于化石记录。他们还利用分子生物学和遗传学来研究关键的现代脊椎动物的发育胚胎。“Palaeospondylus的奇怪形态,跟四足动物幼虫的形态相当,从发育遗传学的角度来看,非常有趣,”Hirasawa说道,“考虑到这一点,我们将继续研究带来这种和其他形态变化的发育遗传学,这些变化发生在脊椎动物历史中的水到陆地的过渡期"。”

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