4.4億年前魚類化石，揭開生命演化奧秘 填補脊椎動物「從魚到人」演化史上缺失的最初始環節
2022-09-30 08:29 作者：吳月輝 來源：人民網－人民日報 閱覽：
圖為重慶特異埋藏化石庫化石照片。
中科院古脊椎動物與古人類研究所供圖
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地球上現存99.8%的脊椎動物都具有上頜與下巴，這些器官是怎麼演化來的？中國科學院古脊椎動物與古人類研究所朱敏團隊在重慶、貴州等地約4.4億年前的志留紀早期地層中發現兩個化石庫，首次為有頜類的崛起與最早期輻射分化提供確切證據，並據此取得一系列新發現，填補了脊椎動物「從魚到人」演化史上缺失的最初始環節。
有頜類（有上頜與下巴的脊椎動物）的出現與崛起是脊椎動物演化史上最關鍵的躍升之一，人類的很多重要器官與身體構型都可追溯到有頜類演化之初。然而，這一躍升具體發生在何時、何地，又是如何發生的？這些問題一直未能得到解答。
近期，中國科學院古脊椎動物與古人類研究所朱敏團隊在我國重慶、貴州等地距今約4.4億年前的志留紀早期地層中發現「重慶特異埋藏化石庫」和「貴州石阡化石庫」，增添了我國又一個世界級的特異埋藏化石庫，填補了全球志留紀早期有頜類化石記錄的空白，首次為有頜類的崛起與最早期輻射分化提供確切證據。
國際學術期刊《自然》於北京時間9月29日以封面文章形式同期發表團隊的4篇學術論文，集中報道了這批有關有頜類起源與最早期演化的研究成果。
有頜類的早期演化曾經存在至少3000萬年的巨大空白
包括人類在內，地球上現存99.8%的脊椎動物都具有頜骨（上頜與下巴），統稱為有頜脊椎動物或有頜類。
朱敏說：「有頜類的出現是生命演化史上非常重要的一次躍升。有下巴就意味著有一張可以自由活動的嘴，對於脊椎動物從水裡到陸地生活時攝取食物至關重要。」
以前，科學家根據基因、胚胎等線索推測，有頜類應該起源於4.5億年前的奧陶紀晚期，而在志留紀應該就已經很繁盛了。但這種推測一直沒有被證實。因為有頜類直到志留紀晚期（4.25億年前）才出現較完善的化石記錄，而分子鐘推斷的有頜類起源時間不晚於4.5億年前的奧陶紀晚期，因此，有頜類的早期演化存在一段至少綿延3000萬年、橫跨整個志留紀的巨大空白，被稱為「古生物學史上一個頑固存在的重大空白」。
朱敏說：「由於這個空白的存在，儘管我們知道有頜類在志留紀已經存在，但對牠們到底長什麼模樣、有多大、處於什麼生態位、彼此之間如何演化等問題一無所知，甚至不能確定志留紀地層中發現的零星棘刺、鱗片是否屬於有頜魚類。」
化石實證的缺失使得有頜類的起源與崛起，這個脊椎動物演化史中最關鍵的躍升之一，過去一直籠罩在迷霧之中。
近10年來，朱敏團隊探尋我國志留紀地層中可能含有魚類化石的200多個地點，終於在華南志留紀早期地層中發現「重慶特異埋藏化石庫」和「貴州石阡化石庫」，以及其中大量特異埋藏保存的完整志留紀早期魚類化石，找到了破解有頜類最初崛起與輻射分化之謎的鑰匙。
魚類化石的發現，有助於探尋牙齒、脖子等器官的起源
經過對這兩個化石庫埋藏化石的挖掘、採集和研究，團隊科研人員判定：「貴州石阡化石庫」時代為蘭多維列世（志留紀早期）埃隆期最晚期，約4.39億年前；「重慶特異埋藏化石庫」時代，為蘭多維列世特列奇期，約4.36億年前。
「貴州石阡化石庫」里含有數量多、保存好的有頜類微體化石。團隊成員在其中發現了23枚志留紀早期的魚類牙齒化石標本，長度僅2.5毫米。科研人員通過高精度CT、三維復原以及組織學切片等技術手段對其中的雙列黔齒魚牙齒開展了細緻研究。
朱敏介紹，「我們發現雙列黔齒魚的齒旋結構，不同於無頜類的咽喉齒和齒狀物，它擁有左右兩列鏡像對稱的初級齒單元，並呈『之』字形排列，基本側面也還分布了一定數量的側生齒單元。齒旋彎曲的形狀和縱向的齒單元，也很好解釋了頜骨在牙槽內的起源。」
雙列黔齒魚的齒旋代表最古老的有頜類牙齒，成為迄今為止有頜類出現的最早最直觀的證據，將牙齒最早化石證據前推了1400萬年。同時，也印證了此前科學家們的推測，志留紀早期就有有頜類了。
此外，科學家們還發現了另一個重要器官——脖子的起源。
在「重慶特異埋藏化石庫」里，朱敏團隊發現了一大批4.36億年前完整的奇蹟秀山魚化石。
「這種魚也是有頜的，而且保存非常完整。這也將完整的有頜類化石記錄大大前推了1100萬年。」 團隊成員朱幼安進一步解釋說：「絕大多數的有頜類都有可以活動的脖子關節，無頜類則沒有。秀山魚作為有頜類的最初形態，處於演化的中間狀態。它的頭甲中間有一道橫向的裂隙，使得頭能在呼吸和攝食時抬起和落下，這是更先進的頸關節的雛形。人的頭與頸部相連的枕骨就是由秀山魚頭頂的這道裂隙前的骨片演化而來的。」
「重慶特異埋藏化石庫」是目前世界上唯一保存志留紀早期完整有頜類化石的特異埋藏化石庫，可以說是「魚類的黎明」。這是繼澄江生物群、熱河生物群之後，又一個在我國發現的、為探索生命之樹演化重要節點提供大量關鍵證據的世界級特異埋藏化石庫。
填補了「從魚到人」演化史上缺失的最初始環節
此次發現在古生物學史上第一次大規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在華南地區欣欣向榮；到志留紀晚期，更多樣、更大型的有頜類屬種出現並開始擴散到全球，開啟了魚類登陸並最終演化成為人類的進程。
朱敏說：「對新發現古魚類化石的研究，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節，更新了對有頜類起源與崛起的傳統認知，進一步夯實了『從魚到人』的演化路徑。」
國際古脊椎動物學會前主席、澳大利亞弗林德斯大學教授約翰·朗撰文稱：「這確實是令人驚嘆、改變演化格局的化石發現，改寫了有頜脊椎動物早期演化歷史的幾乎所有方面。」
可以預見，此次新發現的兩個化石庫，未來還將繼續為解開圍繞有頜類起源的重重謎團持續作出貢獻。
中科院古脊椎動物與古人類研究所供圖
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地球上現存99.8%的脊椎動物都具有上頜與下巴，這些器官是怎麼演化來的？中國科學院古脊椎動物與古人類研究所朱敏團隊在重慶、貴州等地約4.4億年前的志留紀早期地層中發現兩個化石庫，首次為有頜類的崛起與最早期輻射分化提供確切證據，並據此取得一系列新發現，填補了脊椎動物「從魚到人」演化史上缺失的最初始環節。
有頜類（有上頜與下巴的脊椎動物）的出現與崛起是脊椎動物演化史上最關鍵的躍升之一，人類的很多重要器官與身體構型都可追溯到有頜類演化之初。然而，這一躍升具體發生在何時、何地，又是如何發生的？這些問題一直未能得到解答。
近期，中國科學院古脊椎動物與古人類研究所朱敏團隊在我國重慶、貴州等地距今約4.4億年前的志留紀早期地層中發現「重慶特異埋藏化石庫」和「貴州石阡化石庫」，增添了我國又一個世界級的特異埋藏化石庫，填補了全球志留紀早期有頜類化石記錄的空白，首次為有頜類的崛起與最早期輻射分化提供確切證據。
國際學術期刊《自然》於北京時間9月29日以封面文章形式同期發表團隊的4篇學術論文，集中報道了這批有關有頜類起源與最早期演化的研究成果。
有頜類的早期演化曾經存在至少3000萬年的巨大空白
包括人類在內，地球上現存99.8%的脊椎動物都具有頜骨（上頜與下巴），統稱為有頜脊椎動物或有頜類。
朱敏說：「有頜類的出現是生命演化史上非常重要的一次躍升。有下巴就意味著有一張可以自由活動的嘴，對於脊椎動物從水裡到陸地生活時攝取食物至關重要。」
以前，科學家根據基因、胚胎等線索推測，有頜類應該起源於4.5億年前的奧陶紀晚期，而在志留紀應該就已經很繁盛了。但這種推測一直沒有被證實。因為有頜類直到志留紀晚期（4.25億年前）才出現較完善的化石記錄，而分子鐘推斷的有頜類起源時間不晚於4.5億年前的奧陶紀晚期，因此，有頜類的早期演化存在一段至少綿延3000萬年、橫跨整個志留紀的巨大空白，被稱為「古生物學史上一個頑固存在的重大空白」。
朱敏說：「由於這個空白的存在，儘管我們知道有頜類在志留紀已經存在，但對牠們到底長什麼模樣、有多大、處於什麼生態位、彼此之間如何演化等問題一無所知，甚至不能確定志留紀地層中發現的零星棘刺、鱗片是否屬於有頜魚類。」
化石實證的缺失使得有頜類的起源與崛起，這個脊椎動物演化史中最關鍵的躍升之一，過去一直籠罩在迷霧之中。
近10年來，朱敏團隊探尋我國志留紀地層中可能含有魚類化石的200多個地點，終於在華南志留紀早期地層中發現「重慶特異埋藏化石庫」和「貴州石阡化石庫」，以及其中大量特異埋藏保存的完整志留紀早期魚類化石，找到了破解有頜類最初崛起與輻射分化之謎的鑰匙。
魚類化石的發現，有助於探尋牙齒、脖子等器官的起源
經過對這兩個化石庫埋藏化石的挖掘、採集和研究，團隊科研人員判定：「貴州石阡化石庫」時代為蘭多維列世（志留紀早期）埃隆期最晚期，約4.39億年前；「重慶特異埋藏化石庫」時代，為蘭多維列世特列奇期，約4.36億年前。
「貴州石阡化石庫」里含有數量多、保存好的有頜類微體化石。團隊成員在其中發現了23枚志留紀早期的魚類牙齒化石標本，長度僅2.5毫米。科研人員通過高精度CT、三維復原以及組織學切片等技術手段對其中的雙列黔齒魚牙齒開展了細緻研究。
朱敏介紹，「我們發現雙列黔齒魚的齒旋結構，不同於無頜類的咽喉齒和齒狀物，它擁有左右兩列鏡像對稱的初級齒單元，並呈『之』字形排列，基本側面也還分布了一定數量的側生齒單元。齒旋彎曲的形狀和縱向的齒單元，也很好解釋了頜骨在牙槽內的起源。」
雙列黔齒魚的齒旋代表最古老的有頜類牙齒，成為迄今為止有頜類出現的最早最直觀的證據，將牙齒最早化石證據前推了1400萬年。同時，也印證了此前科學家們的推測，志留紀早期就有有頜類了。
此外，科學家們還發現了另一個重要器官——脖子的起源。
在「重慶特異埋藏化石庫」里，朱敏團隊發現了一大批4.36億年前完整的奇蹟秀山魚化石。
「這種魚也是有頜的，而且保存非常完整。這也將完整的有頜類化石記錄大大前推了1100萬年。」 團隊成員朱幼安進一步解釋說：「絕大多數的有頜類都有可以活動的脖子關節，無頜類則沒有。秀山魚作為有頜類的最初形態，處於演化的中間狀態。它的頭甲中間有一道橫向的裂隙，使得頭能在呼吸和攝食時抬起和落下，這是更先進的頸關節的雛形。人的頭與頸部相連的枕骨就是由秀山魚頭頂的這道裂隙前的骨片演化而來的。」
「重慶特異埋藏化石庫」是目前世界上唯一保存志留紀早期完整有頜類化石的特異埋藏化石庫，可以說是「魚類的黎明」。這是繼澄江生物群、熱河生物群之後，又一個在我國發現的、為探索生命之樹演化重要節點提供大量關鍵證據的世界級特異埋藏化石庫。
填補了「從魚到人」演化史上缺失的最初始環節
此次發現在古生物學史上第一次大規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在華南地區欣欣向榮；到志留紀晚期，更多樣、更大型的有頜類屬種出現並開始擴散到全球，開啟了魚類登陸並最終演化成為人類的進程。
朱敏說：「對新發現古魚類化石的研究，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節，更新了對有頜類起源與崛起的傳統認知，進一步夯實了『從魚到人』的演化路徑。」
國際古脊椎動物學會前主席、澳大利亞弗林德斯大學教授約翰·朗撰文稱：「這確實是令人驚嘆、改變演化格局的化石發現，改寫了有頜脊椎動物早期演化歷史的幾乎所有方面。」
可以預見，此次新發現的兩個化石庫，未來還將繼續為解開圍繞有頜類起源的重重謎團持續作出貢獻。
