中國發(fā)現(xiàn)的4.39億年前牙齒化石改變科學家對脊椎動物進化的看法 _中國

中國發(fā)現(xiàn)的4.39億年前牙齒化石改變科學家對脊椎動物進化的看法
據(jù)cnBeta：罕見的中國化石牙齒改變了科學家對脊椎動物進化的信念。一個國際科學家團隊發(fā)現(xiàn)了可以追溯到4.39億年前的有齒魚遺?。獗礱饗執(zhí)砉怯憷嗪陀補怯憷嗟淖嫦缺紉鄖叭銜囊緄枚?。
這些發(fā)現(xiàn)最近發(fā)表在《自然》上。
中國南部貴州省的一個偏遠地區(qū)獲得了宏偉的化石發(fā)現(xiàn)--包括被鑒定為屬于志留紀（約4.45億至4.2億年前）原始下顎脊椎動物的一個新物種（Qianodus duplicis）的單體牙齒。Qianodus以今天貴州的古稱命名，擁有不尋常的螺旋狀牙齒元件并攜帶幾代牙齒從而在動物的整個生命過程中被插入。
在該地點發(fā)現(xiàn)的最稀有的化石之一最終是Qianodus的牙齒螺旋。由于它們的尺寸很小，很少超過2.5毫米，因此必須用可見光和X射線輻射在放大鏡下研究它們。
這些螺旋的一個明顯特征是，它們包含一對牙排，鑲嵌在螺旋底部的一個凸起的中間區(qū)域。這些原生齒在接近內螺旋時表現(xiàn)出尺寸的逐漸增長。兩排初級牙齒之間的明顯偏移則是區(qū)別黔東南州跟其他脊椎動物的螺旋的原因。雖然以前沒有在化石物種的牙齒螺旋中發(fā)現(xiàn) ，但在一些現(xiàn)代鯊魚的牙齒中也存在類似的附近齒列的排列。
這一發(fā)現(xiàn)表明，所謂的“魚類時代"（4.2億至4.6億年前）”的有頜脊椎動物群在約2000萬年前就已經(jīng)建立了。
曲靖師范大學的李強說道：“Qianodus為我們提供了關于牙齒以及延伸到顎部的第一個有形證據(jù)，這些證據(jù)來自脊椎動物進化的這個關鍵的早期時期。”
跟現(xiàn)代鯊魚不斷脫落的牙齒不同的是，研究人員認為，Qianodus的齒輪被保存在口中并且還會隨著動物的成長而增大。這種解釋顯示了替代牙齒的逐漸增大和齒輪基部的擴大以作為對發(fā)育過程中頜骨大小持續(xù)增加的反應。
對于研究人員來說，重建螺旋生長的關鍵是兩個處于早期形成階段的標本，通過它們明顯較小的尺寸和較少的牙齒很容易識別。與數(shù)量更多的成熟輪齒進行比較，使古生物學家對早期脊椎動物牙齒的發(fā)育機制有了罕見的了解。這些觀察結果表明，初級牙齒是最先形成的，而側輪（附屬）螺旋牙齒的增加則發(fā)生在發(fā)育的后期。
該研究的論文第一作者Plamen Andreev說道：“盡管有其特殊性，但事實上，在許多已滅絕的軟骨魚和骨魚系中都有齒輪的報道。一些早期軟骨魚類甚至完全由間隔較近的輪狀體構成它們的牙齒。”
研究人員稱，這也是Qianodus所面臨的情況。他們在用同步輻射檢查了這個新物種的?。?-2毫米長）螺旋后得出了這個結論--同步輻射是一種使用粒子加速器的高能量X射線的CT掃描過程。
中國科學院古脊椎動物與古人類研究所的朱敏教授說道：“我們驚奇地發(fā)現(xiàn)，螺旋的齒列有明顯的左右偏移，這表明在對立的頜骨上的位置。”
這些觀察結果得到了系統(tǒng)發(fā)育樹的支持，該系統(tǒng)發(fā)育樹將Qianodus確定為跟具有螺旋牙齒的已滅絕軟骨動物群的近親。
朱敏教授表示：“我們修訂的有頜脊椎動物主要類群的起源時間表跟它們最初的多樣化發(fā)生在早志留紀的觀點一致。”
Qianodus的發(fā)現(xiàn)為有齒脊椎動物和類似鯊魚的牙齒模式的存在提供了切實的證據(jù)，這比以前認為的早了幾千萬年。研究中提出的系統(tǒng)發(fā)育分析將Qianodus確定為原始軟骨魚類，這意味著有頜魚類在下志留紀已經(jīng)相當多樣化并且在無頜脊椎動物的祖系骨骼礦化進化后不久就出現(xiàn)了。
來自伯明翰大學的這項研究的論文共同作者Ivan Sansom說道：“這使得人們對目前脊椎動物關鍵創(chuàng)新的出現(xiàn)的進化模型產(chǎn)生了疑問，如牙齒、下顎和成對的附屬物。”
相關：中國發(fā)現(xiàn)罕見牙齒化石顛覆了人們長期以來對脊椎動物進化的看法
一個國際研究小組發(fā)現(xiàn)了4.39億年前的齒魚化石，這表明現(xiàn)代骨魚類(鰩魚和鰭魚)和球粒魚類(鯊魚和鰩魚)的祖先起源比之前認為的要早得多。
相關研究結果發(fā)表在9月28日的《Nature》雜志上。
在中國南部貴州省的一個偏遠遺址，包含了遙遠的志留紀(約4.45億至4.2億年前)的沉積層序列，這里發(fā)現(xiàn)了壯觀的化石，包括被鑒定為屬于一個新物種(Qianodus duplicis)的原始頜骨脊椎動物。它以現(xiàn)代貴州的古稱命名，Qianodus 具有特殊的螺旋狀牙齒成分攜帶了幾代的牙齒，這些牙齒在動物的一生中不斷增加。
Qianodus的牙齒螺旋（或輪齒）是從該遺址發(fā)現(xiàn)的最不常見的化石之一。它們是很少達到2.5毫米的小零件，因此必須在可見光和X射線輻射的放大下進行研究。
輪齒的一個顯著特征是，它們包含一對牙齒排設置在輪齒基部的一個凸起的中間區(qū)域。這些所謂的乳牙顯示了向內(舌)部分的螺紋的大小遞增。這輪齒是怎么來的？Qianodus與其他脊椎動物相比，不同尋常的是兩排乳牙之間有明顯的偏移。在一些現(xiàn)代鯊魚的齒列中也可以看到類似的相鄰齒排排列，但在化石物種的齒輪中以前沒有發(fā)現(xiàn)過。
這一發(fā)現(xiàn)表明，從所謂的“魚類時代”(4.2億至4.6億年前)開始的著名的下頜脊椎動物群，早在大約2000萬年前就已經(jīng)形成了。
＂Qianodus 為我們提供了脊椎動物在這個關鍵的早期進化階段的牙齒，以及下頜延伸的第一個切實證據(jù)，”曲靖師范大學的李強說。
與現(xiàn)代鯊魚不斷脫落的牙齒不同，研究人員認為Qianodus隨著動物的生長而增大。這種解釋解釋了替換牙齒的逐漸增大和輪底的擴大，這是對發(fā)育過程中頜骨尺寸不斷增大的反應。
對研究人員來說，重建輪齒生長的關鍵是兩個在形成早期階段的標本，它們明顯較小的尺寸和較少的牙齒很容易識別。通過與數(shù)量眾多的成熟齒狀體的比較，古生物學家們對早期脊椎動物齒狀體的發(fā)育機制有了難得的了解。這些觀察結果表明，乳牙是第一個形成的，而側(副)輪齒的增加發(fā)生在發(fā)育的后期。
該研究的第一作者Plamen Andreev說:“盡管齒輪很獨特，但事實上，在許多已經(jīng)滅絕的軟骨魚和骨魚的譜系中都發(fā)現(xiàn)過。一些早期的軟骨魚龍甚至完全用緊密間隔的輪齒來建造它們的齒列。”
中國科學院古脊椎動物與古人類研究所朱敏教授說:“我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，這些輪齒的齒排有明顯的左或右偏移，這表明它們在相對的頜支上的位置。”
這些觀察得到了系統(tǒng)發(fā)育樹的支持Qianodus作為一種與已滅絕的具有輪形齒列的球粒魚類群的近親。
朱敏教授說:“我們對下頜脊椎動物主要類群的起源時間線進行了修正，與它們最初的多樣化發(fā)生在早期志留紀的觀點一致。”
Qianodus為有齒脊椎動物的存在和鯊魚一樣的齒紋模式提供了切實的證據(jù)，它們的存在比之前認為的要早數(shù)千萬年。研究中提出的系統(tǒng)發(fā)育分析確定Qianodus這意味著頜魚在下志留紀已經(jīng)相當多樣化，并且出現(xiàn)在無頜脊椎動物祖先譜系的骨骼礦化進化之后不久。
這項研究的合著者之一、來自伯明翰大學的伊萬・桑索姆說:“這對目前出現(xiàn)關鍵脊椎動物創(chuàng)新的進化模型提出了質疑，比如牙齒、下顎和成對的附屬物。”
相關：曲靖師院以第一作者單位在《Nature》同時發(fā)表3篇論文“從魚到人”探源研究取得重大突破
據(jù)曲靖師院：近日，中國科學院古脊椎動物與古人類研究所朱敏院士團隊在“人類探源、追溯遠祖”研究中取得重大突破，于北京時間9月28日23時在《Nature》（《自然》）雜志在線發(fā)表4篇論文，9月29日7時以封面文章同期發(fā)表，報道了志留紀“重慶特異埋藏化石庫”和“貴州石阡化石庫”，將很多人類解剖學結構追溯到4.4億年前的遠古魚類，填補了“從魚到人”演化史上缺失的關鍵環(huán)節(jié)，刷新了有頜脊椎動物起源與崛起的傳統(tǒng)認知，進一步夯實了“從魚到人”的演化路徑。
4篇論文中，曲靖師范學院兩名教師——安爵輔（Andreev）和李強為2篇論文的共同第一作者。另外2篇中，曲靖師范學院李強分別為第二作者和共同第一作者。4篇論文的通訊或共同通訊作者為中國科學院古脊椎動物與古人類研究所朱敏院士。朱敏院士自2018年以來一直受聘擔任曲靖師范學院自然歷史文化研究中心主任。
4篇論文分別是：The oldest gnathostome teeth（最古老有頜類牙齒）， Spiny chondrichthyan from the lower Silurian of South China（華南志留紀早期多棘刺軟骨魚），Galeaspid anatomy and origin of vertebrate paired appendages（盔甲魚解剖學與脊椎動物成對附肢的起源），The oldest complete jawed vertebrates from the early Silurian of China（中國志留紀早期最古老完整有頜脊椎動物）。4篇論文分別展示了關于雙列黔齒魚——最古老的有頜類牙齒的研究成果；關于新塑梵凈山魚——4.39億年前鯊魚的近親的研究成果；關于靈動土家魚——揭示魚類偶鰭起源的研究成果；關于蠕紋沈氏棘魚——迄今所知最早的保存完好的軟骨魚，奇跡秀山魚——擁有盾皮魚類組合特征的研究成果。
以曲靖師范學院兩名教師——安爵輔（Andreev）和李強為共同第一作者的是關于雙列黔齒魚和新塑梵凈山魚的兩項研究成果。以曲靖師范學院李強為共同第一作者的是關于蠕紋沈氏棘魚、奇跡秀山魚的研究成果。
頜之初
現(xiàn)存脊椎動物中，99.8%的物種都屬于有頜類。有頜類的起源是脊椎動物演化史上最大、影響最深遠的躍升之一，頜的出現(xiàn)大大增加了脊椎動物的攝食和呼吸能力，使脊椎動物得以向各個生境和生態(tài)位拓展，并最終演化出人類自身。人類的主要身體構型和重要器官都可追溯到有頜類演化之初。因此，有頜類的起源與崛起是人類探源研究中的關鍵環(huán)節(jié)之一，化石證據(jù)在其中扮演主要角色。但在分子生物學推定的有頜類起源時間與保存有頜類豐富化石記錄的泥盆紀之間，長期存在3千多萬年的時代空白，導致有頜類的起源與早期分化研究撲朔迷離，爭議不斷。
近十年來，朱敏院士團隊以“探索未知、揭示本源”為己任，面向世界科技前沿，通過持之以恒的野外地質調查，在重慶、貴州、湖南等地志留紀早期地層中連續(xù)取得化石發(fā)現(xiàn)上的突破，填補了上述空白，為解答頜起源、有頜類最早期分化、人類重要器官和身體構型演化等重要科學問題帶來了曙光。
格物：志留紀有頜類化石新發(fā)現(xiàn)
該團隊首先在4.39億年前的華南下紅層“貴州石阡化石庫”中發(fā)現(xiàn)大量有頜類微體化石，其中的齒旋化石雙列黔齒魚（Qianodus duplicis）將有頜類牙齒最早化石證據(jù)前推了1400萬年。而新塑梵凈山魚（Fanjingshania renovata）顯示，早在志留紀蘭多維列世埃隆期晚期或特列奇期最早期，軟骨魚類干群已經(jīng)演化出典型的柵棘魚形態(tài)，同時具有硬骨魚類的組織學特征。上述進展也讓奧陶紀、志留紀魚類鱗片和棘刺化石分類位置的爭論塵埃落定。
2020年該團隊又在4.36億年前的重慶秀山上紅層中發(fā)現(xiàn)了目前世界上唯一保存蘭多維列世有頜類大化石的特異埋藏化石庫，其中的有頜類化石不僅數(shù)量多、種類全，而且保存十分完整，頭、軀體關聯(lián)部分以及軀甲后身軀的鱗列、鰭、尾等結構都完整保存下來，令我們得以一窺蘭多維列世脊椎動物特別是有頜類的全貌。其中，對靈動土家魚（Tujiaaspis vividus）的研究顯示，盔甲魚體側有成對的連續(xù)鰭褶，代表了偶鰭或人類四肢的雛形。蠕紋沈氏棘魚（Shenacanthus vermiformis）是目前世界上發(fā)現(xiàn)的最早的關聯(lián)完好保存的軟骨魚，確證了軟骨魚類從“披盔戴甲”的祖先演化而來。奇跡秀山魚（Xiushanosteus mirabilis）糅合了多個盾皮魚大類的特征，為探究有頜類生命之樹根部主要類群的起源提供了珍貴資料。
致知與展望
“從魚到人”探源研究的最新突破——“重慶特異埋藏化石庫”和“貴州石阡化石庫”的發(fā)現(xiàn)在古生物學史上第一次大規(guī)模展示了志留紀魚群特別是有頜類的面貌，揭示了早期有頜類崛起的過程：最遲到4.4億年前，有頜類各大類群已經(jīng)在華南地區(qū)欣欣向榮；到志留紀晚期，更多樣、更大型的有頜類屬種出現(xiàn)并開始擴散到全球，開啟了魚類登陸并最終演化成為人類的進程。對“重慶特異埋藏化石庫”和“貴州石阡化石庫”的化石研究，將很多與人類相關的解剖學結構追溯到4.4億年前的遠古魚類，填補了“從魚到人”演化史上缺失的最初始環(huán)節(jié)，更新了對有頜類起源與崛起的傳統(tǒng)認知，進一步夯實了“從魚到人”的演化路徑。可以預見，“重慶特異埋藏化石庫”和“貴州石阡化石庫”未來還將繼續(xù)為解開圍繞有頜類起源的重重謎團做出持續(xù)貢獻。