當(dāng)我們吃魚時，是在吃自己的祖先嗎？

能夠在頂級期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文是許多科研人員的夢想，特別是《Nature》、《Science》這些在自然科學(xué)領(lǐng)域享有崇高聲譽(yù)的雜志。

而就在 2022 年 9 月 29 日，中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所朱敏院士團(tuán)隊(duì)的古魚類學(xué)術(shù)論文，不僅發(fā)表在《Nature》雜志上，還是以封面文章的形式發(fā)表，不僅以封面文章的形式發(fā)表，還是一下子連發(fā) 4 篇！這些研究成果的重要性可見一斑。

《自然》封面展示了最新發(fā)現(xiàn)的 5 種志留紀(jì)古魚新屬種的三維藝術(shù)復(fù)原，制圖：Heming Zhang

可能是因?yàn)樵谛侣剤蟮乐?，“從魚到人”、“填補(bǔ)空白”這樣的字眼反復(fù)出現(xiàn)，這項(xiàng)基礎(chǔ)的科學(xué)研究也有幸引起了大家的關(guān)注，在多個媒體平臺登上了熱搜，還衍生出了“摸魚嚴(yán)格來說是返祖現(xiàn)象”、“怪不得我是一條咸魚！”等有趣的梗。

作為科研團(tuán)隊(duì)成員之一，我也收到了很多對這項(xiàng)成果的關(guān)心和好奇，深感榮幸，今天就先回答一些網(wǎng)絡(luò)上大家感興趣的問題，再試著結(jié)合大家的問題，聊聊在不需要專業(yè)知識基礎(chǔ)的情況下，如何理解這次的成果。下面，就讓我們一起“吃瓜”吧！

01

對一些有趣問題的回答

首先，我收集了評論區(qū)一些點(diǎn)贊較高的問題，根據(jù)個人的認(rèn)識嘗試做一些回答。

問

當(dāng)我們吃魚時，是吃自己的祖先嗎？

答

答案當(dāng)然是否定的。人類與現(xiàn)生魚類的關(guān)系更類似于在四億年前分家的超遠(yuǎn)房親戚，我們在久遠(yuǎn)過去的某個節(jié)點(diǎn)一定擁有一個共同的祖先，但人類和現(xiàn)生的魚類選擇了兩條截然不同的道路，并各自演化到今天。我們與現(xiàn)在日常食用魚類的“親戚關(guān)系”已經(jīng)非常單薄了，在“輩分”上，說是平輩也不為過。

問

為什么新聞里古生物學(xué)家的工作場景經(jīng)常在公路邊？這和我想的不一樣啊！

答

首先當(dāng)然是方便，現(xiàn)代的野外工作總體上是以車輛為主要交通工具，在路上一邊開車一邊快速的“掃射”地層是很多地質(zhì)人的常用技能。其次，在地質(zhì)工作中有句老話叫做“逢溝必?cái)唷保馑际强傮w上呈水平沉積的地層總會在深溝處破損，易發(fā)育斷層。雖然這句話在實(shí)際工作中不一定對，但斷面的存在確實(shí)能讓我們更加輕易地對地層進(jìn)行研究。這也是為什么古生物學(xué)家經(jīng)常出現(xiàn)在建筑工地與公路等能露出巖層的地方。

問

除了這次的5條魚，還挖出了其它化石嗎？

答

除了本次見刊的五個新物種外，還有同期發(fā)現(xiàn)的十余種全新的魚類屬種正處于整理與研究階段。在可預(yù)見的未來，相信會有更多來自華南的研究成果進(jìn)一步填補(bǔ)脊椎動物演化史的空白。

02

為什么說這項(xiàng)研究是“填補(bǔ)空白”？

約 200 年前，地質(zhì)學(xué)家羅德里克·默奇森（Roderick Murchison）將一套位于威爾士與英格蘭邊界處的巖層命名為了“志留系”。他在這套巖層中發(fā)現(xiàn)了包括頜骨、棘刺與鱗片在內(nèi)的一些魚類化石碎片，他認(rèn)為這些碎片是“它們所屬類群中最古老的”，并與在上覆地層中發(fā)現(xiàn)的其他化石“截然不同”。

地質(zhì)學(xué)家羅德里克·默奇森，圖片來源：Wikipedia

隨著地質(zhì)學(xué)的發(fā)展，人們越來越明顯地發(fā)現(xiàn)，志留紀(jì)地層中稀少的魚類化石與上覆的、被稱為“魚類時代”的泥盆紀(jì)地層中豐富的魚類化石，在數(shù)量上有鮮明的對比。而志留紀(jì)化石的稀缺也使得古生物學(xué)家所追求的生命進(jìn)化圖譜上留下了大塊的空白。這也讓很多人對進(jìn)化論產(chǎn)生了質(zhì)疑。

現(xiàn)代古生物學(xué)家基本認(rèn)為，脊椎動物的進(jìn)化歷程最早可以追溯到約 5.39 億-5.20 億年前的寒武紀(jì)生命大爆發(fā)。包括我們?nèi)祟愒趦?nèi)，地球上現(xiàn)存 99.8% 的脊椎動物都具有頜骨（上巴上頜與下巴），統(tǒng)稱為有頜脊椎動物或有頜類。人類的很多器官以及身體結(jié)構(gòu)都能追溯到有頜類的出現(xiàn)伊始。

但一直以來，有頜脊椎動物的初期演化歷程總是缺乏完整的化石證據(jù)?？茖W(xué)家們曾經(jīng)使用分子鐘等分子生物學(xué)手段，通過測算現(xiàn)生有頜類脊椎動物的遺傳差異，得出有頜類的分化節(jié)點(diǎn)最早不晚于奧陶紀(jì)晚期（約 4.5 億年前）。但正如前文所提到的，有頜脊椎動物在全球范圍內(nèi)的志留系中十分少見，完整的化石更是屈指可數(shù)。

直到 2009 年，這一窘境才得以大大改善。情況的改善主要?dú)w功于中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所在華南地區(qū)開展的長期野外調(diào)查，以及瀟湘動物群中大量志留紀(jì)晚期（約 4.25 億年前）化石的發(fā)現(xiàn)。

本次的四篇學(xué)術(shù)論文，就是集中報道了一批產(chǎn)自重慶與貴州交界處的新化石標(biāo)本，使得這斷曾經(jīng)模糊不清的歲月清晰起來，并且無可爭議地將有頜脊椎動物的起源向更深、更古老的地層推進(jìn)，同時也厘清了一些標(biāo)志性的特征是如何演化的。

所以，大家會在報道中看到的“填補(bǔ)關(guān)鍵空白”這樣的說法，準(zhǔn)確地說，是填補(bǔ)了全球志留紀(jì)早期有頜類化石記錄這一“古生物學(xué)史上一個頑固存在的重大空白”，首次為有頜類的崛起與最早期輻射分化提供確切證據(jù)。

03

4 篇論文的研究對象

是 5 條 4 億多年的古魚

前文提到，本次的四篇學(xué)術(shù)論文集中報道了一批產(chǎn)自重慶與貴州交界處的新化石標(biāo)本，確切地說，是 5 份 4 億多年前的古魚化石。

本次集中發(fā)表物種一覽，圖片來自參考文獻(xiàn)[1]

首先，是來自貴州省石阡的雙列黔齒魚（Qianodus duplicis），因其齒旋上發(fā)育有一對主齒列而得名。

黔齒魚雖然僅有一個齒旋保存下來，但其排列清晰的、呈之字形單向生長的主齒單元與交錯排列的側(cè)生齒單元與花鱗魚為代表的疊瓦狀無頜類咽喉齒具有鮮明的區(qū)別，是無可爭議的有頜類。

說到齒旋，很多經(jīng)常涉獵生物科普和游戲亞文化的同學(xué)可能第一時間想到了具有很高人氣的旋齒鯊。通過系統(tǒng)發(fā)育分析，黔齒魚也確實(shí)處于軟骨魚的基干位置，它與旋齒鯊這類同樣擁有齒旋的物種之間是否具有更相近的演化關(guān)系有待近一步研究。黔齒魚的發(fā)現(xiàn)將有頜類最早的牙齒化石記錄向歷史深處推進(jìn)了 1400 萬年。

黔齒魚的齒旋化石，可以清晰地看到呈之字形有序生長的兩列主齒單元（橙色與綠色），以及側(cè)生齒單元（黃色）。比例尺為0.5毫米。圖片來自參考文獻(xiàn)[2]

與黔齒魚孤立的標(biāo)本不同，同時發(fā)現(xiàn)的新塑梵凈山魚（Fanjingshania renovata）則擁有上千個細(xì)碎的標(biāo)本，包括鱗片、圍眶骨、不完整的鰓條骨、胸棘刺、前胸棘刺、腹棘刺、背棘刺、臀棘刺和中間棘等。通過細(xì)致與長期的前期處理與鏡下工作，研究人員通過共同的組織學(xué)特征、表面紋飾、發(fā)育特征與部分關(guān)聯(lián)保存，從上萬個比芝麻還小的微體化石中將屬于梵凈山魚的標(biāo)本收集歸類。

研究團(tuán)隊(duì)對微體化石的處理。A：采集到的巖石標(biāo)本需要進(jìn)行沖洗與浸泡處理；B：在鏡下對前期處理后取得的碎片進(jìn)行分選。圖片來自參考文獻(xiàn)[3]

梵凈山魚具有板狀齒質(zhì)的組織學(xué)特征，這一特征之前僅見于早期的軟骨魚類。此外，梵凈山魚發(fā)育有肩帶與中間棘等標(biāo)志性的解剖學(xué)特征。根據(jù)系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果顯示，梵凈山魚屬于軟骨魚—棘魚類—柵棘魚屬，它的發(fā)現(xiàn)將柵棘魚類的最早出現(xiàn)時間推到了志留世蘭多維列期，也揭示了最古老的鯊魚類的形態(tài)結(jié)構(gòu)。

此外，梵凈山魚完備成熟的身體結(jié)構(gòu)也能從側(cè)面說明硬骨魚干群也應(yīng)該在早志留世就出現(xiàn)了，這樣才能與軟骨魚和硬骨魚形態(tài)學(xué)分化時間保持一致。

研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)相同的組織學(xué)與表面紋飾等特征將梵凈山魚的身體不同部位識別了出來。比例尺為1毫米。圖片來自參考文獻(xiàn)[4]

正如前文提到的那樣，志留紀(jì)的脊椎動物化石保存稀少造成的空白是研究者們必須跨越的險峻高山，而重慶市秀山縣“重慶特異埋藏化石庫”的發(fā)現(xiàn)則無異于為我們找到了一條捷徑。

重慶東部位于華南大陸邊緣的陸架，在志留紀(jì)早期是一片被稱為“揚(yáng)子古海”的溫暖濱、淺海環(huán)境，可謂生物的天堂，大量的魚類與節(jié)肢動物在此繁衍生息。直到 4.36 億年前，活躍的板塊運(yùn)動引起了頻繁的地震，被掀起的泥沙迅速將潟湖與河道等較小水域掩埋覆蓋，正在掙扎的魚類經(jīng)過億萬年的時光變成了栩栩如生的化石，而這樣快速掩埋、保存完好的化石庫便被科研人員稱之為“特異埋藏”。大家可能聽說過的大名鼎鼎的“澄江生物群”等科研成果豐富的化石庫，都屬于特異埋藏。而本次的集中報道中，同樣有兩篇學(xué)術(shù)論文來自這一新發(fā)現(xiàn)的“寶庫”。

“重慶特異埋藏化石庫”中發(fā)現(xiàn)的大量化石，反映出一個欣欣向榮的動物群。A：沈氏棘魚（1a,1b）與秀山魚（2a,2b）；B：大量保存的魚類化石；C、D：王氏修氏鱟（Hughmilleria wangi）化石。比例尺為5毫米。圖片來自參考文獻(xiàn)[5]

長期以來，研究者們一直認(rèn)為相較于硬骨魚類，軟骨魚類更原始，更加接近脊椎動物演化的原始形態(tài)，而硬骨魚類與盾皮魚類都是起源自某種軟骨魚類。但近年來的一些研究也提出了不少反對意見，蠕紋沈氏棘魚（Shenacanthus vermiformis）的發(fā)現(xiàn)則徹底解決了這一爭論。

沈氏棘魚不但擁有與典型軟骨魚類-棘魚相似的解剖學(xué)特征，同時還具有盾皮魚所特有的、覆蓋于肩帶和背部的大型骨片。這一反直覺的發(fā)現(xiàn)徹底改寫了近百年來人們對生命演化樹的印象，意味著軟骨魚類的祖先來自于擁有堅(jiān)硬盔甲的盾皮魚類。

沈氏棘魚雖然擁有典型的棘魚身體結(jié)構(gòu)，卻在肩帶與背部發(fā)育有巨大的骨片，這一特征將它 與盾皮魚類的祖先聯(lián)系在了一起。比例尺為5毫米。圖片來自參考文獻(xiàn)[5]

而來自同篇報道的奇跡秀山魚（Xiushanosteus mirabilis）則讓我們對盾皮魚的早期演化擁有了更深的認(rèn)識。

提到盾皮魚，絕大多數(shù)人腦海中第一印象都是生活在距離秀山魚約 2000 萬年后的鄧氏魚。誠然，以鄧氏魚為代表的盾皮魚類在泥盆紀(jì)中繁衍出了一個“魚口眾多”的大家族，盾皮魚類的起源仍然藏在厚厚的帷幕之中。

鄧氏魚復(fù)原圖與人類體型大小對比，圖片來源：Wikipedia

從年代來說，秀山魚毫無疑問地比泥盆紀(jì)的盾皮魚類更加原始，而從解剖學(xué)來看，秀山魚雜糅了若干不同盾皮魚類群的特征，并不能歸類到目前任何已知的盾皮魚類群眾。如果我們將秀山魚與泥盆紀(jì)盾皮魚類的特征羅列成圖，那么它們的交集將必然包含更原始的盾皮魚類甚至有頜魚類的原始特征。因此，秀山魚的發(fā)現(xiàn)無疑是我們在黑暗中摸索有頜脊椎動物的起源時的一盞提燈，雖然它的光芒并不能讓照亮遠(yuǎn)處的風(fēng)景，但也足以照亮腳下的路。

秀山魚是目前已發(fā)現(xiàn)的最古老完整盾皮魚化石，擁有眾多有頜類的原始特征。比例尺為5毫米。圖片來自參考文獻(xiàn)[5]

如果說上文中列舉的各項(xiàng)對于系統(tǒng)發(fā)育學(xué)的貢獻(xiàn)顯得有些佶屈聱牙，同樣來自“重慶特異埋藏化石庫”的靈動土家魚（Tujiaaspis vividus）則推動了一個更具體的科學(xué)問題：我們的四肢從何而來？

與之前出場的幾位屬于有頜類的主角不同，土家魚所在的盔甲魚類屬于無頜脊椎動物，并沒有頜骨的構(gòu)造。盔甲魚屬于甲胄魚類，以頭部完整巨大的頭甲為特色，同時也是一個具有濃厚“土著色彩”的類群，在全球范圍內(nèi)主要見于中國南方與越南等地區(qū)。

正如它們的名字那樣，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的盔甲魚類化石絕大多數(shù)都是堅(jiān)固且易于保存的頭部，而柔軟的軀干部分則十分罕見。得益于特異埋藏的形成機(jī)制，靈動土家魚是世界上第一個具有完整軀體保存的盔甲魚類化石。

很多科學(xué)愛好者都知道，陸生生物的四肢來源于肉鰭魚類的偶鰭（胸鰭與臀鰭），但是，魚類的偶鰭又從何而來呢？

通過近年來對分子生物學(xué)與胚胎學(xué)的研究，研究者們發(fā)現(xiàn)奇鰭（背鰭）與偶鰭擁有相同的基因調(diào)控機(jī)制，進(jìn)而逐漸提煉出一個假說，即偶鰭的起源與奇鰭類似，都是從一條縱貫全身的褶皺演化而來，這便是“鰭褶理論”。

在土家魚的腹部，我們發(fā)現(xiàn)了一對縱貫全身的腹側(cè)鰭褶，這無疑是為學(xué)界長期以來討論的附肢起源的“鰭褶理論”提供了關(guān)鍵的證據(jù)。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步運(yùn)用流體力學(xué)對其進(jìn)行了分析，計(jì)算流體力學(xué)表明，在沒有標(biāo)志性的已分化偶鰭的情況下，鰭褶可以利用水流產(chǎn)生升力來抵消自身重力，這一發(fā)現(xiàn)從功能機(jī)制上提出了有關(guān)脊椎動物成對附肢起源的新假說。

此外，需要說明的是，雖然屬于無頜類，但以盔甲魚為代表的甲胄魚類與有頜類在演化上的親緣關(guān)系比起現(xiàn)生的無頜魚類（如盲鰻與七鰓鰻）更近，現(xiàn)生的無頜類也絕非甲胄魚類的演化后代。

土家魚是罕見保存有軀體部分的盔甲魚化石，其縱貫全身的褶皺讓科學(xué)家對探尋附肢的起源提供了明確的證據(jù)。比例尺為4毫米。圖片來自參考文獻(xiàn)[6]

最后，請?jiān)试S我引用同樣出自本期《Nature》的評述，密歇根大學(xué)教授馬特·弗里德曼（Matt Friedman）的文字作為本文的結(jié)尾：“無論在理論發(fā)展上還是在時間線的完善上，一個令人振奮的早期有頜類演化研究新時代已經(jīng)到來，而我們正處在它的起點(diǎn)?！?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1] Fossils reveal the deep roots of jawed vertebrateshttps://www.nature.com/articles/d41586-022-02973-5【2】

[2] Andreev, P.S., Sansom, I.J., Li, Q. et al. The oldest gnathostome teeth. Nature 609, 964–968 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05166-2

[3] 曲靖師范學(xué)院自然歷史文化研究中心.https://www.qjnu.edu.cn/

[4] Andreev, P.S., Sansom, I.J., Li, Q. et al. Spiny chondrichthyan from the lower Silurian of South China. Nature 609, 969–974 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05233-8

[5] Zhu, Ya., Li, Q., Lu, J. et al. The oldest complete jawed vertebrates from the early Silurian of China. Nature 609, 954–958 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05136-8

[6] Gai, Z., Li, Q., Ferrón, H.G. et al. Galeaspid anatomy and the origin of vertebrate paired appendages. Nature 609, 959–963 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04897-6

出品｜科普中國

作者｜羅彥超 中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所

監(jiān)制｜中國科普博覽

選送單位：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)中心

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