一场虚拟解剖发现5亿年前节肢动物头部秘密

2020年07月01日 10:48 次阅读 稿源:科技日报 条评论

节肢动物是显生宙以来地球上物种多样性最高的动物门类。自寒武纪以来,它们就活跃在这个星球上,大附肢类真节肢动物是其中一个重要的门类。但一直以来,大附肢类真节肢动物如何演化以及与现生远亲之间的关系,还存在诸多未知。

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澄江生物群迷人林乔利虫幼虫标本照片及CT三维图像 受访者供图

澄江生物群迷人林乔利虫幼虫标本照片及CT三维图像 受访者供图

近日,云南大学古生物研究院云南省古生物研究重点实验室刘煜、侯先光、翟大有等研究员与哈佛大学副教授哈维尔·奥尔特加-埃尔南德斯等人组成的研究团队于《当代生物学》在线发表合作的论文《寒武纪大附肢类真节肢动物中不完全发育的口板》,为揭示寒武纪澄江节肢动物腿肢构造的发育生物学研究打开了新的窗口。

澄江生物群化石蕴含节肢动物演化史

在漫长的地球历史时期,由于各种原因,大多数曾经在地球上生活过的节肢动物物种已纷纷灭绝,幸存者则逐渐演化为今天的蜘蛛、蝎子等螯肢动物,蜈蚣、马陆等多足动物,以及虾、蟹、昆虫等泛甲壳动物。

在云南昆明附近,古生物学者为之痴迷的寒武纪澄江生物群地层中,保存了大量呈特异埋藏的化石标本。这些看似普通的“石头”,记录了距今5.18亿年前的寒武纪大爆发时期,节肢动物等诸多后生动物门类曾有过的繁盛景象。

1984年7月,侯先光研究员发现,这些层层叠叠的古老化石,为揭示5亿多年前的寒武纪大爆发提供了极其珍贵的证据。已入选“世界自然遗产”的澄江生物群,被誉为“二十世纪最惊人的科学发现之一”,为早期生命科学研究开辟了一个重要的创新领域。

多年来,研究者们对澄江化石的形态学观察,主要局限于使用光学显微镜等传统成像技术对化石表面上所保存的二维结构的观察上,而保存在化石标本内部的动物身体结构信息,只能通过耗时且具破坏性的钢针修理等方法进行研究。

正因为如此,研究者对早期节肢动物身体许多重要的精细结构,如口板是否真正存在这一科学问题,只能通过分支分析等方法进行推测。即便推测准确,研究者们也无法对这类精细结构的真实形态进行展示。

迷人林乔利虫幼虫的口板可能发育不完全

在继2016年于国际权威学术期刊美国《国家科学院院报》发文报道2毫米长迷人林乔利虫幼虫后,中美研究团队把目光投向了新的手段——显微CT技术,大大突破了以往仅能对动物个体发育过程中背甲结构的大小及形态变化进行观察的局限。

为实现对化石进行无损且任意角度的高精度复原与观察,他们在高精度显微CT的帮助下,通过计算机三维软件“魔幻之手”对澄江节肢动物身体的精细结构进行模型虚拟解剖,分离出身体的各部分结构。研究团队首次清晰地揭示了寒武纪大附肢类节肢动物——迷人林乔利虫头部保存的口板等精细结构。此项研究的对象,是该物种的两枚呈三维立体保存的幼虫化石,体长仅为5毫米和7毫米。

研究发现,迷人林乔利虫在体长仅为5毫米的幼虫期,眼睛后长有一个明显的口板,口板表面还长有一对小突起。通过使用开源计算机三维复原软件,研究人员对一枚体长仅为7毫米的迷人林乔利虫幼虫化石的大附肢进行擦除后发现,其口板在头部所占的比例有所减小,说明口板结构在该物种的个体发育进程中,有可能存在不完全发育的现象。“以往使用传统的手段,是无法观察和研究这一细微结构的。”刘煜说。

此外,它们还对动物头部进行了纵向数码切割,发现了该口板结构下往体内延伸的狭窄咽部通道,这与在该物种的成虫标本上观察到的情况一致。

随后,他们将化石数据与现生节肢动物胚胎发育数据进行了对比研究,发现迷人林乔利虫作为螯肢类节肢动物在寒武纪时期的代表,已经进化出明显的、与现生的蜘蛛、蝎子等节肢动物口板同源的结构。

而现生节肢动物中普遍存在的这一位于口前的突起的口板构造,在5.18亿年前的干群螯肢动物中就已出现。这一分析结果,为古生物学界、进化生物学界认识长久以来深受困扰的节肢动物头部问题提供了直接的化石证据。

研究人员还讨论了寒武纪“明星”奇虾等射齿类动物身体结构中,可能存在与真节肢动物口板同源的结构。“射齿类动物的大爪肢是否是真节肢动物口板的同源结构,是我们下一阶段要解决的科学问题。”刘煜说。

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