出品：科普中國
作者：蓋志琨（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
編者按：為揭開科技工作的神秘面紗，科普中國前沿科技項目推出“我和我的研究”系列文章，邀請科學(xué)家親自執(zhí)筆，分享科研歷程，打造科學(xué)世界。讓我們跟隨站在科技最前沿的探索者們，開啟一段段充滿熱情、挑戰(zhàn)與驚喜的旅程。
我所帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊，是在朱敏院士悉心指導(dǎo)下，經(jīng)過 20 多年磨合，逐漸成長起來的一支非常年輕的青年團(tuán)隊。團(tuán)隊主要從事中國盔甲魚類的的起源、演化及相關(guān)的生物地層、古生物地理的研究工作。
盔甲魚類是東亞地區(qū)特有的一種四億多年前的“戴盔披甲”的甲胄魚類，目前只發(fā)現(xiàn)于我國和越南北部的志留—泥盆紀(jì)地層里。我國盔甲魚類化石的發(fā)現(xiàn)，可以追溯到上世紀(jì)之初。1913年，我國地質(zhì)事業(yè)奠基人丁文江先生在擔(dān)任中國地質(zhì)調(diào)查所所長兼地質(zhì)研究所所長期間，只身赴云南考察，并在翠峰山和廖角山（現(xiàn)稱“寥廓山”）早泥盆世的西山村組采得魚化石。這些魚化石后來經(jīng)美國古生物學(xué)家葛利普（Grabau）鑒定為頭甲魚（Cephalaspis sp.），即我們今天的盔甲魚類。但一直到1965年，我國古魚類學(xué)家劉玉海先生才對我國的盔甲魚化石首次進(jìn)行了系統(tǒng)古生物描述，成為盔甲魚研究第一人。100 多年來，經(jīng)過中國數(shù)代古生物學(xué)家的努力，中國的盔甲魚類總共命名了約 100個種，并建立起亞綱一級的分類單元，成為與骨甲魚亞綱、異甲魚亞綱、缺甲魚亞綱、花鱗魚亞綱并列的“甲胄魚類”五大類群之一。
20世紀(jì)90年代末，隨著劉玉海、潘江、王念忠、王俊卿等老一輩研究盔甲魚類的古生物學(xué)家陸續(xù)退休，中國盔甲魚類的研究也面臨著一個青黃不接的尷尬局面，亟需年輕人來注入新鮮的血液。
2002年，我從山東科技大學(xué)地球科學(xué)系畢業(yè)，考到中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所攻讀碩士研究生，有幸成為朱敏院士的第一個學(xué)生，開始接手中國盔甲魚類的研究。2006年，我又獲得英國皇家學(xué)會全額獎學(xué)金，在英國布里斯托大學(xué)攻讀博士學(xué)位，師從英國皇家科院院士Philip C. J. Donoghue 教授，繼續(xù)開展中國盔甲魚類的研究。
2012 年，我學(xué)成歸國，在中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所工作，帶領(lǐng)學(xué)生深入開展中國盔甲魚的形態(tài)學(xué)、解剖學(xué)、系統(tǒng)學(xué)和生態(tài)學(xué)研究，分別用了兩個十年的時間，成功地解決了盔甲魚類腦顱內(nèi)部解剖和頭后身體解剖兩大百年難題，從而為人類頜的發(fā)育起源、中耳的魚鰓起源和四肢的鰭褶起源理論提供了最為關(guān)鍵的化石證據(jù)。
研究成果在2011年和2022年在《自然》雜志上分別以封面推薦和封面文章發(fā)表后，引起了學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是演化發(fā)育生物學(xué)的經(jīng)典案例，先后入選了歐美日等國家和地區(qū)十幾種教科書，例如《演化發(fā)育生物學(xué)》、《演化神經(jīng)學(xué)》、《生命史》、《古脊椎動物學(xué)》等。同時，我也指導(dǎo)學(xué)生開展盔甲魚類生物地層學(xué)和古生物地理學(xué)研究。
**古生物化石證據(jù)在證明大陸漂移假說的過程中起了非常關(guān)鍵的作用。**1910年，德國著名氣象學(xué)家、地球物理學(xué)家魏格納發(fā)現(xiàn)大西洋兩岸形狀能夠互補，從而萌發(fā)了大陸漂移思想。他認(rèn)為：全球的陸地在2億年前還是一個彼此相連的整體，后來由于受到力的作用，才不斷分離并漂移到現(xiàn)在的位置。
為了驗證這一假說，科學(xué)家找到了許多證據(jù)，其中最有說服力的證據(jù)之一就是來自古生物水龍獸的化石證據(jù)。水龍獸是一種生活于約2億年前的一種似哺乳爬行動物，主要生活在陸地上，無法進(jìn)行跨海遷徙，但是它們的化石卻廣布于我國新疆、非洲南部、印度、南極洲等地的二疊紀(jì)末-早三疊世地層中，其跨大洋的廣泛分布，有力地說明了這些化石點當(dāng)時可能處于同一個聯(lián)合大陸——岡瓦納大陸。
**中國盔甲魚類在證明板塊漂移學(xué)說中同樣起著舉足輕重的作用!**盔甲魚類是一類主要生活在靠近古陸邊緣的瀉湖、三角洲、濱海至淺海等環(huán)境的魚類，主要營底棲濾食性生活。大多數(shù)盔甲魚類頭甲扁平，缺少成對的偶鰭，表明其游泳能力較弱，擴(kuò)散、遷移的能力有限，遼闊的陸地和寬廣的海洋均成為其擴(kuò)散、遷移的障礙。因此，盔甲魚類具有強烈的土著性色彩，它們的分布能夠被用來劃分古生物地理區(qū)域。
近日，我指導(dǎo)我的學(xué)生李旭彤、張雨萌、山顯任等在《地質(zhì)學(xué)報（英文版）》發(fā)表封面文章，報道了我們志留紀(jì)早期盔甲魚類古生物地理研究上的一項重要進(jìn)展，即我們在華南板塊和塔里木板塊都發(fā)現(xiàn)了盔甲魚類長興魚的蹤跡，不僅豐富了我們對長興魚形態(tài)和多樣性的認(rèn)識，還為板塊漂移學(xué)說提供了新的證據(jù)[1]。
封面展示了研究團(tuán)隊新疆塔里木盆地志留系下部發(fā)現(xiàn)的一片巨大的波痕構(gòu)造，指示了一種淺海環(huán)境。念忠長興魚和顧氏長興魚大約在4.38億年可能生活在塔里木-華南聯(lián)合板塊周邊的同一片淺海環(huán)境中。
（圖片來源：《地質(zhì)學(xué)報》封面）
四代古生物學(xué)家接力，長興魚在浙江長興的發(fā)現(xiàn)
長興魚是一種生活在距今約4.38億年的志留紀(jì)早期的最古老的盔甲魚類，它們個體非常小，頭甲扁扁的，整個頭甲大約只有3.5厘米左右，加上身體應(yīng)該不超過10 厘米，眼睛有一對，但鼻孔只有一個，呈橫寬的裂隙形，眼睛和鼻孔都長在頭頂之上，沒有咀嚼食物的上下頜，沒有成對的胸鰭和腹鰭，因此，它們很可能是一種生活在海底，營底棲生活且游泳能力不強的魚類。長興魚在系統(tǒng)分類上屬于盔甲魚亞綱修水魚科，屬于早期盔甲魚類中的原始類群，在很多形態(tài)特征上代表了盔甲魚的原始狀態(tài)。
長興魚最早由古魚類學(xué)家王念忠先生于1991年建立，其模式種為產(chǎn)自浙江長興縣志留紀(jì)海相紅層中的顧氏長興魚(Changxingaspis gui)，屬名長興——來源于化石標(biāo)本的發(fā)現(xiàn)地浙江省長興縣，種名——顧氏，則是王念忠先生為了紀(jì)念其南開大學(xué)恩師顧長東教授。
顧氏長興魚在浙江長興的發(fā)現(xiàn)（a） 2003年作者一個人在長興野外采集化石;（b）浙江長興含魚地層柱狀圖；(3) 時隔 20 年，2023 年研究團(tuán)隊重返浙江長興小浦鎮(zhèn)長興魚化石發(fā)現(xiàn)地（左起：賈連濤、趙文金、朱敏、蓋志琨、山顯任）；(d)顧氏長興魚生態(tài)復(fù)原圖。（圖片來源：作者供圖）
顧氏長興魚的發(fā)現(xiàn)是一個跨越40年，歷經(jīng)四代古生物學(xué)家接力完成的研究故事。
早在1988年，中國地質(zhì)博物館的潘江先生就在浙江省長興縣煤山小浦煤校附近開展野外工作，并發(fā)現(xiàn)了疑似長興魚的化石標(biāo)本，但由于化石保存不完整，潘江先生并未對其正式命名定新種，將其暫時鑒定為修水魚屬待定種（Xiushuisaspis sp.）。
1977年，古生物學(xué)家王念忠先生作為我國改革開放后首批派往法、德、英國研修的十位科技工作者之一，前往法國國立自然博物館古生物研究所，師從著名古魚類學(xué)家雷曼（J. Lehman）研究新疆晚二疊世魚類大化石。兩年研修期限內(nèi)，王念忠先生不僅出色完成了晚二疊世魚類化石的研究，還著重了解了自己感興趣的無頜類腦顱和魚類微體化石研究。
回國后不久，王念忠先生便向時任中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所所長的周明鎮(zhèn)先生提出，希望在國內(nèi)開展兩項重要研究工作，其中一項便為盔甲魚類腦顱的研究。根據(jù)潘江先生的早期發(fā)現(xiàn)，王念忠先生將考察重點放在了浙江長興地區(qū)，通過多年的努力，終于采集到了大量盔甲魚類化石，特別是一批保存精美的盔甲魚類腦顱化石。
1991年，王念忠先生正式發(fā)表了這批珍貴化石材料，并命名了兩個新屬種，分別是雷曼煤山魚和顧氏長興魚[2]。2003年，我在朱敏和王念忠兩位先生的帶領(lǐng)下，來到浙江長興地區(qū)采集化石，收集碩士論文材料。
此后，我每年都要獨自一人前往浙江長興一帶尋找化石，在那里一待就是幾個月。我記得那時的科研經(jīng)費還非常緊張，在野外租不起越野車，為了節(jié)約開支，就住在老鄉(xiāng)家里，并跟老鄉(xiāng)借了一輛自行車，騎著車去化石場采化石。
2003-2007年五年間，我在浙江省西北部的長興區(qū)進(jìn)行了五次野外地質(zhì)考察。“功夫不負(fù)有心人”，長年的野外堅持，我終于在這里取得了突破性進(jìn)展，又采集到了大量浙江曙魚和顧氏長興魚的化石。但后來，由于研究團(tuán)隊把研究重點放在了浙江曙魚腦顱的研究上，顧氏長興魚的研究就暫時被擱置了起來，這一擱置就是20年。一直到 2022 年，江西師范大學(xué)的本科生張雨萌、李旭彤加入到中國科學(xué)院大學(xué)生“科創(chuàng)計劃”來，我們才重新啟動了長興魚的研究。該計劃以項目的形式，資助全國各高校中理工科專業(yè)二或三年級本科學(xué)生中的成績優(yōu)秀者，到中國科學(xué)院開展6-12月的科研創(chuàng)新實踐活動。張雨萌、李旭彤在我和我的碩士研究生山顯任的共同指導(dǎo)下，歷時兩年，終于完成了對長興魚的研究，最終將研究成果以封面文章的形式發(fā)表在《地質(zhì)學(xué)報（英文版）》上。因此，長興魚的發(fā)現(xiàn)和研究是一個薪火相傳、歷經(jīng)四代古生物人接力完成的科研故事。如今我當(dāng)年的研究生山顯任已經(jīng)順利考到英國布里斯托大學(xué)攻讀博士學(xué)位，而當(dāng)時的本科生張雨萌、李旭彤也已經(jīng)順利考到中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所攻讀碩士學(xué)位，繼續(xù)續(xù)寫著這一薪火相傳的科研故事。
顧氏長興魚化石及形態(tài)復(fù)原
（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）
**顧氏長興魚一種具有橢圓形頭甲的小型盔甲魚類，**其頭甲長度大約為3.5 厘米，個體大小大約是修水魚的2倍。在頭甲的末端，長興魚有一對向內(nèi)側(cè)彎曲的鐮刀形的內(nèi)角非常發(fā)育，而修水魚這一對內(nèi)角幾乎不發(fā)育，因此王念忠先生并不贊同潘江先生把這些新材料歸到修水魚屬（Xiushuisaspis），而是代表了修水魚科的一個新屬、新種，并命名為顧氏長興魚（Changxingaspis gui）。
尤其令人驚嘆的是，顧氏長興魚保存了精美的腦顱結(jié)構(gòu)，通過對它的復(fù)原和研究，盔甲魚腦顱內(nèi)部的解剖學(xué)信息得以被了解，這是當(dāng)時有關(guān)盔甲魚類腦顱研究最全面、最深入的一項研究成果[2]。但是由于化石材料的限制，我們對顧氏長興魚頭甲腹面的信息卻知之甚少。
而此次研究的顧氏長興魚新材料是一對完整頭甲的正負(fù)模，揭示出顧氏長興魚更多頭甲腹面的信息，包括鰓孔、鰓后壁和鰓后區(qū)等。研究表明，除了內(nèi)角的基部之外，長興魚的頭甲腹側(cè)部分比背側(cè)短得多，這部分在鰓后壁結(jié)束，因此長興魚頭甲腹側(cè)沒有細(xì)長的鰓后區(qū)，這與原來的認(rèn)識不同。
長興魚在新疆塔里木盆地的首次發(fā)現(xiàn)
新疆塔里木盆地位于新疆南部，地處陸上絲綢之路核心地帶，曾是歷史上“絲綢之路”的必經(jīng)之地。同時，塔里木盆地也是一個大型疊合克拉通含油氣盆地，面積約56×104平方千米，是我國21世紀(jì)的戰(zhàn)略能源基地。
上世紀(jì)末“塔里木盆地油氣資源”的八五、九五科技攻關(guān)項目，使得塔里木盆地古生物化石的研究取得了突破性進(jìn)展。然而，在古生物學(xué)方面，由于塔里木盆地的盔甲魚類標(biāo)本大多破碎、殘缺不全，導(dǎo)致該地區(qū)的盔甲魚類總體研究程度仍然非常低。2007年以后，該地區(qū)的相關(guān)研究便停滯不前。
2012年，我學(xué)成回國后，就重新啟動了新疆塔里木盆地志留系古魚類的野外考察，并在2018年報道了在新疆塔里木盆地志留系發(fā)現(xiàn)最早的多鰓魚類——鋸齒寬腹魚，將多鰓魚類的起源由早泥盆世提前至志留紀(jì)蘭多維列世，向前推進(jìn)了大約兩千萬年[3]。
**鋸齒寬腹魚展現(xiàn)出許多與現(xiàn)代鰩類平行進(jìn)化的特征，很可能代表了盔甲魚類一種新的生活方式——半埋藏的生活方式。**新的生活方式使盔甲魚類能夠更好地隱藏自己，躲避捕食者。可能得益于這種新的生活方式，鋸齒寬腹魚所屬的古木魚科成為盔甲魚亞綱中生存時間最長的一個支系[3]。
2019年，我們又組織了一次野外考察，發(fā)現(xiàn)了張氏西域魚的新材料，并把它歸入修水魚科，這一發(fā)現(xiàn)打破了塔里木盆地沒有修水魚科化石的傳統(tǒng)認(rèn)識[4]。
2020年，我們得到國家自然科學(xué)基金的資助。2021～2023年，研究團(tuán)隊克服疫情期間的重重困難，先后多次赴新疆塔里木盆地進(jìn)行野外調(diào)查，完成了三次大規(guī)模的野外挖掘，最終在新疆柯坪克爾買提地區(qū)的塔塔埃爾塔格組采集到豐富的盔甲魚類化石。
經(jīng)過長達(dá)三年的挖掘、室內(nèi)修理和對比研究。2023年，我們在國際學(xué)術(shù)期刊《古地理、古氣候、古生態(tài)》又首次報道了在新疆塔里木盆地發(fā)現(xiàn)的真盔甲魚類——戎氏江夏魚，這是研究團(tuán)隊繼2018年在塔里木盆地首次發(fā)現(xiàn)最古老的多鰓魚類以來，又在該地區(qū)首次發(fā)現(xiàn)了最古老的真盔甲魚類[5]。這些化石對塔里木盆地古生代古地理分析意義重大！
野外團(tuán)隊在新疆柯坪克爾買提地區(qū)塔塔埃爾塔格組中發(fā)現(xiàn)大片波痕構(gòu)造，指示了該片地區(qū)在 4.38 億年前曾是一片淺海環(huán)境
（左起山顯任、林翔鴻、蓋志琨、趙日東）
（圖片來源：作者供圖）
而本次研究并命名的長興魚新種——念忠長興魚代表了長興魚屬在塔里木盆地的“首次發(fā)現(xiàn)”，種名以紀(jì)念王念忠先生在長興魚腦顱解剖學(xué)和頭甲形態(tài)學(xué)研究方面作出的奠基性工作。新種以中背孔寬長比為3，側(cè)橫管延伸至頭甲側(cè)緣以及第二側(cè)橫管的末端二分叉等特征與顧氏長興魚明顯區(qū)分。
念忠長興魚化石及形態(tài)復(fù)原
（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）
長興魚在浙、疆兩地被發(fā)現(xiàn)，具有什么科學(xué)意義？
系統(tǒng)古生物學(xué)研究在一定程度上也是一個為已滅絕生物的尋親之旅，特別是找到了同一個屬的幾個不同物種的時候，堪稱找到了該物種的兄弟姐妹，具有非常重要的生物地層意義，表明兩個物種形成地理隔離不久，剛剛分化成兩個新物種。念忠長興魚代表了長興魚屬在塔里木板塊的首個化石記錄，它的發(fā)現(xiàn)相當(dāng)于為遠(yuǎn)在萬里之外顧氏長興魚找到了親兄弟，具有重要的生物地層和古動物地理意義。
2023年，我們與中國科學(xué)院南京地質(zhì)與古生物研究所戎嘉余院士團(tuán)隊聯(lián)合，對我國東部蘇浙皖地區(qū)的志留系典型剖面逐一進(jìn)行了實地考察和論證，最終將這套海相紅層確立為康山組，康山組時代確立的關(guān)鍵證據(jù)之一就是來自長興魚化石的證據(jù)。
產(chǎn)自浙西北地區(qū)康山組中的盔甲魚類包括修水魚科的長興魚和真盔甲魚類曙魚、煤山魚和安吉魚。之前的分類學(xué)研究根據(jù)“總體形態(tài)相似性”，曾將康山組中的曙魚等真盔甲魚類和西坑組中的中華盔甲魚進(jìn)行對比，進(jìn)而認(rèn)為唐家塢組和西坑組層位相當(dāng)，其時代為志留紀(jì)蘭多維列世特列奇晚期。
最近，基于系統(tǒng)發(fā)育分析得到的分類學(xué)結(jié)論則清楚表明：康山組中的曙魚、煤山魚和清水組中的清水魚構(gòu)成一個單系類群——曙魚科；康山組中的網(wǎng)狀安吉魚和清水組中的刺猬安吉魚則構(gòu)成另一個單系類群——安吉魚屬；上述兩個單系群均較上紅層西坑組中的中華盔甲科更為原始。因此，從真盔甲魚類化石的角度，康山組被認(rèn)為屬于下紅層并可與清水組進(jìn)行很好對比。
志留紀(jì)早期塔里木-華南聯(lián)合板塊古地理及修水魚科分布
（圖片來源：參考文獻(xiàn)1，3）
然而，修水魚科也曾被作為浙西北海相紅層與上紅層西坑組對比的一個標(biāo)志，隨著近年來魚類生物地層學(xué)研究的深入，研究發(fā)現(xiàn)盡管修水魚科具有更長的地層延限（從志留系下紅層向上延限至上紅層），但該科成員在不同的層位顯示出不同的組成面貌。
其中，西域魚屬僅出現(xiàn)在志留系下紅層（清水組和塔塔埃爾塔格組），修水魚屬則僅出現(xiàn)在志留系上紅層（西坑組）。長興魚屬在新疆志留系塔塔埃爾塔格組中的發(fā)現(xiàn)證明該屬同樣屬于下紅層中的分子。因此，本研究從長興魚的角度進(jìn)一步支持浙西北的含魚海相紅層（康山組）屬于下紅層。
此外，念忠長興魚是繼江夏魚屬和西域魚屬之后，華南和塔里木盆地共有的第三個盔甲魚類屬種，進(jìn)一步支持了我國塔里木盆地和華南地區(qū)在約4.38 億年可能距離很近，甚至可能屬于同一板塊，即塔里木-華南聯(lián)合板塊的假說，從而為我國志留紀(jì)早期華南和塔里木之間發(fā)生的多次密切的生物交流事件提供了地理基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：
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2.Wang， N.-Z.， Two new Silurian galeaspids (jawless craniates) from Zhejiang Province， China， with a discussion of galeaspid-gnathostome relationships， in Early Vertebrates and Related Problems of Evolutionary Biology， M.M. Chang， Y.H. Liu， and G.R. Zhang， Editors. 1991， Science Press: Beijing. p. 41-66.
3.Gai， Z.， et al.， New polybranchiaspiform fishes (Agnatha: Galeaspida) from the Middle Palaeozoic of China and their ecomorphological implications. PLoS One， 2018. 13(9): p. e0202217.
4.Liu， Y.H.， et al.， A reappraisal of the Silurian galeaspids (stem-Gnathostomata) from Tarim Basin， Xinjiang. Vertebrata PalAsiatica， 2019. 57(4): p. 253-273.
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