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从鳍到手进化过程中它们经历了什么?科学家找到鱼类登陆过程中的关键化石——希望螈

从鳍到手进化过程中它们经历了什么?科学家找到鱼类登陆过程中的关键化石——希望螈

从鳍到手进化过程中它们经历了什么?科学家找到鱼类登陆过程中的关键化石——希望螈

从鳍到手进化过程中它们经历了什么?科学家找到鱼类登陆过程中的关键化石——希望螈

从鳍到手进化过程中它们经历了什么?科学家找到鱼类登陆过程中的关键化石——希望螈

(神秘的地球uux.cn报道)据科技日报(付丽丽):希望螈的指骨虽然看起来只是一些细小的骨骼,但它们对四肢的支撑能力起到了重要作用。鳍中的这些小骨骼让它们能将重量灵活且均匀地分散给整个鳍。拥有指骨后,这些鱼类就能在水底或短暂地在陆地上支撑起自己沉重的身体。

小时候,我们总会很好奇,人类是从哪儿来的,祖先是谁?其实,不只是普通人,人类起源问题,也一直是科学家在苦苦探究的。

3亿多年前,一部分鱼类登上陆地,最终演化出包括人类在内的种类繁多的陆生脊椎动物。鱼类登陆是生命演化史上的重要事件,但鱼类是如何向陆生脊椎动物过渡的,至今仍缺乏足够的认识。

近日,有媒体报道,在《自然》上发表的论文指出,科学家找到了鱼类登陆过程中的关键化石——希望螈,这是人类首次在已知动物化石身上发现手指与鳍“锁”在一起的现象,揭示了人类的手部是如何由远古鱼类的鱼鳍一步步进化而来的。

从鳍到指缺少重要过渡环节

要想知道人类的手部是如何由远古鱼类的鳍一步步进化而来,首先要知道鱼类是如何向陆地脊椎动物过渡的?

中国科学院古脊椎动物与古人类研究所副研究员卢静在接受科技日报记者采访时说,所有陆地脊椎动物统称为四足动物。四足动物是由鱼类演化而来,为了在两者中间作出区分,一般把长着鳍的定义为鱼,长着指/趾的定义为四足动物,所以偶鳍(鱼的胸鳍和腹鳍)到四肢,特别是指的演化至关重要。对鱼类演变成四足动物过程的详细了解,是古生物学在近200年学科历史中取得的最大成就之一。

“鱼类在真正登上陆地演化出四足动物前,有一系列的过渡形态。”卢静说,其中最重要的有几个,一是现存的肉鳍鱼类拉蒂迈鱼,拉蒂迈鱼保留了很多肉鳍鱼类的祖先形态,但它离四足动物还很远。二是真掌鳍鱼,这是一种很“进步”的泥盆纪四足形类肉鳍鱼,它们基本还是鱼的样子,并没有四足,已经适应在较浅的水域中生活,有点像今天的乌鳢,但并不会爬到岸上去。接下来就是最早的四足动物代表,鱼石螈和棘螈,它们为最早的四足动物的身体构造和生活状态,特别是四肢的发育和演化提供了突破性的资料。

卢静表示,在真掌鳍鱼,和鱼石螈、棘螈中间处于关键过渡位置的“半鱼半螈”的生物,就是希望螈类。希望螈类目前发现3个属:希望螈、潘氏鱼和提克塔利克鱼。

提克塔利克鱼是希望螈类中的知名成员,它的鳍已经向四肢的方向演变。提克塔利克鱼胸鳍的鳍条很不对称,腹侧的鳍条比背侧的鳍条小好几倍,研究者推测,这可能说明在胸鳍的底部,形成了一层肌肉。这层肌肉类似于四足动物掌心的肉,尽管还不足以支撑它们上陆,但可以帮助它们在河底移动。但是,提克塔利克鱼的鳍骨则更接近真掌鳍鱼,特别是末端骨骼很少,无法鉴别出明显的“指头”。

而鱼石螈和棘螈,它们虽然保留有鱼类特征,但胸鳍和腹鳍的鳍条已经完全退化,取而代之的,是由骨骼支撑的四肢和数量不等的手指,这证明它们已经做好了在陆地生活的准备。不过其他证据显示,它们可能主要还是在水环境中生活,四肢用来在水底移动身体,棘螈也许是完全水生的,鱼石螈则已经可以在陆地上移动,姿态可能和今天的海豹很像。

无论是有鳍条但没有指骨的提克塔利克鱼,还是没有鳍条但有指骨的鱼石螈和棘螈,都为鱼类向两栖动物的演变提供了重要线索。但在它们中间,还缺少了一个关键的过渡环节——既有鱼的鳍条,又已经演化出指骨的鱼类。

我们的手指或起源于它的鳍

希望螈的出现,补上了这缺失的关键一环。

加拿大魁北克大学穆斯基校区和澳大利亚福林德斯大学的研究者用CT扫描了一件完整保存的希望螈标本。三维复原结果显示,这种鱼既有发达的鳍条,也拥有明显的指骨。在鳍条包裹的胸鳍中,不仅可以清晰地看到肱骨(对应我们的大臂)、桡骨和尺骨(小臂)、腕骨(手腕)、掌骨(手掌),甚至还发现了两根明确的指骨,以及3根可能的指骨。

“这是第一次在鱼类中观察到指骨和鳍条共存。”论文作者之一、福林德斯大学的古生物与地层学教授约翰·朗介绍,指骨虽然看起来只是一些细小的骨骼,并不起眼,但它其实对四肢的支撑能力起到了重要作用。鳍中的这些小骨骼让它们能将重量灵活且均匀地分散给整个鳍。拥有指骨后,这些鱼类就能在水底或短暂地在陆地上支撑起自己沉重的身体。

卢静恰巧与该研究的几位作者认识。“他们去年都参加了我们组织的早期脊椎动物年会,并在会上作了有关这项研究的报告。”卢静说,希望螈的样子有点像大鲵、鳄鱼和鲇鱼的混合体。它的头和鳄鱼非常像,身体有些像大鲵,但在水中游动的身姿比大鲵飘逸,更像一条大鲇鱼。它的“手”外观可能像现代澳洲肺鱼的鳍,但更强壮,也许能短暂地在浅水中支撑身体,但是这所谓的“手”从外观看还是鱼鳍,有明显的扇状的鳍条部分,也并没有裂开变成有功能的指,所以它还不能算是四足动物。

“提克塔利克鱼和真掌鳍鱼的鳍都没有希望螈这样,数量这么多,和指骨一样排列的小鳍骨。上面说过,有没有指在传统上是区分鱼和四足动物最重要的一个特征,所以说希望螈的鳍是处于偶鳍向四肢过渡的关键阶段。论文的作者甚至认为,希望螈已经模糊了鱼和四足动物之间的界限。”卢静强调。

那么,能不能就此说希望螈是人类的直系祖先呢?

卢静认为,生命演化是极其复杂、精细的过程,而化石记录则相对极为零落。因此,总览生命之树,严格意义上的直系祖先是不可能找到的,找到的永远只是或近或远的“表亲”,它们身上可能有很多真正直系祖先的特征,但也有一定比例自身独有的特征,但哪些是祖先特征,哪些是独有特征,往往并不容易确定。

不过这些化石“表亲”中,有些无论在形态和亲缘关系上都可能已经非常接近真正的直系祖先,只是这里的“非常接近”是一个相对的概念。“所以在科普上,也不妨使用直系祖先或直接祖先来指代某些从鱼到人类演化道路上处于关键位置的生物。由于希望螈是目前找到的最接近所有四足动物共同祖先的鱼,因此它有资格被称为是人类的直系祖先。”卢静说。

相关报道:远古鱼类是怎样演化成四足动物的?它的鼻孔内藏着进化的秘密

(神秘的地球uux.cn报道)据环球科学(卢静):今年春天,澳大利亚和加拿大科学家组成的团队在《自然》杂志公布的一件精美的泥盆纪鱼化石轰动了古生物界。在苦苦寻找了数十年后,这件希望螈的完整化石,终于为我们揭开了手指起源的关键一环。

在许多人的认识中,水中的鱼和陆地上多姿多彩的鸟兽爬虫有着巨大的差异。19世纪初,法国生物学家艾蒂安·若弗鲁瓦·圣伊莱最早注意到生活在尼罗河中的一种鱼,与人类以及其他陆地动物的身体结构拥有一系列共同点。不久之后,达尔文提出的进化论对此作出了解释:现代鱼类和现代四足动物拥有共同的祖先——古代鱼类。通俗来说,可以理解为 “鱼类登陆演化成为四足动物,人是从鱼演化来的”。在接下来的近200年内,要解决的问题就变成了:什么鱼、在何时、怎样演化成了四足动物?

谁是四足动物直接祖先的有力竞争者

一些现代鱼类也生活在水陆相交的地带,比如弹涂鱼、攀鲈等,它们不仅能呼吸空气,还能在陆地上生存很长时间。但这些鱼和其他绝大多数现生鱼类一样,都属于辐鳍鱼类,和四足动物没有直接演化关系。演化成四足动物的鱼属于肉鳍鱼类,早在4亿多年前,它们和辐鳍鱼类就已经分道扬镳。

现存的、四足动物以外的肉鳍鱼类只有两个类群:空棘鱼和肺鱼。但是化石显示,史前的肉鳍鱼类曾经极为繁盛。那么在众多的肉鳍鱼类中,到底哪一支才是我们的祖先呢?这是一个很复杂的问题。为了找到答案,我们需要追溯到四足动物登陆这一关键节点。

大多数演化事件都会经历漫长的铺垫,然后在较短时间内发生飞跃,四足动物的起源同样如此。中国华南地区可能是研究志留纪和泥盆纪早期鱼类的最佳地点。在4.2亿年前,云南曲靖郊外的丘陵曾经是一片浅海,这里的“鱼类时代”比世界其他任何地方开始得都更早。我国科学家在曲靖的志留纪地层中发现的梦幻鬼鱼,可能是目前已知最古老的肉鳍鱼。

从梦幻鬼鱼开始,肉鳍鱼类踏上了演化的漫漫征途。早泥盆世早期(约4.2亿—4.1亿年前)是肉鳍鱼类演化的爆发阶段,在这一时期,肉鳍鱼类一下子开枝散叶,分成几大分支,分别沿着不同的道路演化。

首先分化出去的是空棘鱼类,它们在很多方面和肉鳍鱼类的原始形态相差不远。空棘鱼类拥有肺和肌肉发达的偶鳍,然而在演化历史上,它们似乎从来没有对陆地或水陆之交的地带产生过兴趣——所有空棘鱼类都是典型的水生动物。因此,它们失去了成为四足动物祖先的“资格”。

另一支现存的肉鳍鱼类——肺鱼,曾经是四足动物直接祖先的有力竞争者。它们长得很像两栖动物,有内鼻孔和发达的肺,可以离开水体生存很久。在亲缘关系上,现代肺鱼也是现存最接近四足动物的鱼类。但是,对化石的进一步研究否定了肺鱼类是四足动物直接祖先的想法。我国著名古生物学家张弥曼先生发现,肺鱼的原始类型杨氏鱼没有内鼻孔,这是证明肺鱼并非我们祖先的决定性证据。

鱼类内鼻孔演化能提供重要证据

那么,我们真正的祖先是什么呢?在排除掉一系列错误选项后,学者发现有一大类肉鳍鱼比空棘鱼和肺鱼都更加接近四足动物,并将其称为“四足形类肉鳍鱼”。目前最古老的四足形类肉鳍鱼发现于中国,名为奇异东生鱼。东生鱼的头只有指甲盖那么大,作为最原始的四足形类肉鳍鱼,东生鱼还完全是鱼的模样,显然还生活在水中。

在用高精度CT扫描奇异东生鱼的脑颅之后,研究人员吃惊地发现,它的脑中竟然已经有了适应陆地生活的结构。它的垂体有一对与现生两栖动物的垂体前端相似的结构,被称为“腺垂体结节部”。在陆生动物中,这个结构接受晨昏光线信息输入,分泌激素控制昼夜节律。这一发现说明,奇异东生鱼可能生活在光照变化明显的浅水中,它们适应浅水生活环境的许多特点,为四足形类肉鳍鱼最终登上陆地铺平了道路。

在我国华南,和奇异东生鱼差不多生活在同一时代的四足形类肉鳍鱼还有肯氏鱼。肯氏鱼化石研究最重要的意义是显示了内鼻孔演化的中间状态。人类的鼻子是呼吸器官,但实际上在大多数鱼类中,两对鼻孔全部位于头部外表面,鼻子只是嗅觉器官,与呼吸没有关系。鼻子从嗅觉器官演化为四足动物呼吸道的第一步,是演化出鼻腔在口腔中的开口,也就是内鼻孔。内鼻孔是怎样进入口腔的,过去一直不太清楚。中国科学院古脊椎动物与古人类研究所朱敏研究员发现,肯氏鱼的后面一对鼻孔正好处于口腔内外的交界处。就这样,化石记录完美地保存下了内鼻孔演化的过渡状态。

在东生鱼和肯氏鱼之后,四足形类肉鳍鱼又分化为两大分支,其中的一支演化出了三列鳍鱼类。三列鳍鱼类和希望螈类可能有很近的亲缘关系,三列鳍鱼类-希望螈类-四足动物的演化序列虽然还不够完美,但已经提供了足够的过渡信息。

而四足形类肉鳍鱼演化出的另一支——根齿鱼,距离登陆也曾只有一步之遥。根齿鱼的鳍十分僵硬,可能会像鳄鱼一样在浅水中慢慢接近猎物。在宁夏的晚泥盆世中宁动物群,朱敏曾经发现了一种巨大的根齿鱼类:周氏鸿鱼,它是这片水域的顶级捕猎者。奇怪的是,和过去发现的根齿鱼类不太一样,周氏鸿鱼有着一个过去只在希望螈类和四足动物中发现的、可以灵活运动的“脖子”。这说明周氏鸿鱼可以像希望螈类和最早的四足动物一样,在当时的华北大陆水陆之交的环境中自如生活,然而它们最终也没能成功登上陆地。

我国目前还没有发现希望螈类的化石,也没有发现过完整的泥盆纪四足动物。不过2004年,曾经在宁夏的晚泥盆世中宁动物群发现过一小段四足动物的下颌骨,它被命名为中国螈。随着研究的深入,也许未来我们还会在中国找到更多的早期四足动物演化证据,帮助我们揭开四足动物起源的奥秘。




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