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它的鼻孔內藏著進化的秘密

來源﹕科技日報2020-07-08 09:50

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  今年春天﹐澳大利亞和加拿大科學家組成的團隊在《自然》雜誌公佈的一件精美的泥盆紀魚化石轟動了古生物界。在苦苦尋找了數十年後﹐這件希望螈的完整化石﹐終於為我們揭開了手指起源的關鍵一環。

  在許多人的認識中﹐水中的魚和陸地上多姿多彩的鳥獸爬蟲有著巨大的差異。19世紀初﹐法國生物學家艾蒂安‧若弗魯瓦‧聖伊萊最早注意到生活在尼羅河中的一種魚﹐與人類以及其他陸地動物的身體結構擁有一系列共同點。不久之後﹐達爾文提出的進化論對此作出了解釋﹕現代魚類和現代四足動物擁有共同的祖先──古代魚類。通俗來說﹐可以理解為 “魚類登陸演化成為四足動物﹐人是從魚演化來的”。在接下來的近200年內﹐要解決的問題就變成了﹕什麼魚﹑在何時﹑怎樣演化成了四足動物﹖

  誰是四足動物直接祖先的有力競爭者

  一些現代魚類也生活在水陸相交的地帶﹐比如彈涂魚﹑攀鱸等﹐它們不僅能呼吸空氣﹐還能在陸地上生存很長時間。但這些魚和其他絕大多數現生魚類一樣﹐都屬於輻鰭魚類﹐和四足動物沒有直接演化關係。演化成四足動物的魚屬於肉鰭魚類﹐早在4億多年前﹐它們和輻鰭魚類就已經分道揚鑣。

  現存的﹑四足動物以外的肉鰭魚類祗有兩個類群﹕空棘魚和肺魚。但是化石顯示﹐史前的肉鰭魚類曾經極為繁盛。那麼在眾多的肉鰭魚類中﹐到底哪一支才是我們的祖先呢﹖這是一個很複雜的問題。為了找到答案﹐我們需要追溯到四足動物登陸這一關鍵節點。

  大多數演化事件都會經歷漫長的鋪墊﹐然後在較短時間內發生飛躍﹐四足動物的起源同樣如此。中國華南地區可能是研究志留紀和泥盆紀早期魚類的最佳地點。在4.2億年前﹐雲南曲靖郊外的丘陵曾經是一片淺海﹐這裡的“魚類時代”比世界其他任何地方開始得都更早。我國科學家在曲靖的志留紀地層中發現的夢幻鬼魚﹐可能是目前已知最古老的肉鰭魚。

  從夢幻鬼魚開始﹐肉鰭魚類踏上了演化的漫漫征途。早泥盆世早期(約4.2億─4.1億年前)是肉鰭魚類演化的爆發階段﹐在這一時期﹐肉鰭魚類一下子開枝散葉﹐分成幾大分支﹐分別沿著不同的道路演化。

  首先分化出去的是空棘魚類﹐它們在很多方面和肉鰭魚類的原始形態相差不遠。空棘魚類擁有肺和肌肉發達的偶鰭﹐然而在演化歷史上﹐它們似乎從來沒有對陸地或水陸之交的地帶產生過興趣──所有空棘魚類都是典型的水生動物。因此﹐它們失去了成為四足動物祖先的“資格”。

  另一支現存的肉鰭魚類──肺魚﹐曾經是四足動物直接祖先的有力競爭者。它們長得很像兩棲動物﹐有內鼻孔和發達的肺﹐可以離開水體生存很久。在親緣關係上﹐現代肺魚也是現存最接近四足動物的魚類。但是﹐對化石的進一步研究否定了肺魚類是四足動物直接祖先的想法。我國著名古生物學家張彌曼先生發現﹐肺魚的原始類型楊氏魚沒有內鼻孔﹐這是證明肺魚並非我們祖先的決定性證據。

  魚類內鼻孔演化能提供重要證據

  那麼﹐我們真正的祖先是什麼呢﹖在排除掉一系列錯誤選項後﹐學者發現有一大類肉鰭魚比空棘魚和肺魚都更加接近四足動物﹐並將其稱為“四足形類肉鰭魚”。目前最古老的四足形類肉鰭魚發現於中國﹐名為奇異東生魚。東生魚的頭祗有指甲蓋那麼大﹐作為最原始的四足形類肉鰭魚﹐東生魚還完全是魚的模樣﹐顯然還生活在水中。

  在用高精度CT掃描奇異東生魚的腦顱之後﹐研究人員吃驚地發現﹐它的腦中竟然已經有了適應陸地生活的結構。它的垂體有一對與現生兩棲動物的垂體前端相似的結構﹐被稱為“腺垂體結節部”。在陸生動物中﹐這個結構接受晨昏光線信息輸入﹐分泌激素控制晝夜節律。這一發現說明﹐奇異東生魚可能生活在光照變化明顯的淺水中﹐它們適應淺水生活環境的許多特點﹐為四足形類肉鰭魚最終登上陸地舖平了道路。

  在我國華南﹐和奇異東生魚差不多生活在同一時代的四足形類肉鰭魚還有肯氏魚。肯氏魚化石研究最重要的意義是顯示了內鼻孔演化的中間狀態。人類的鼻子是呼吸器官﹐但實際上在大多數魚類中﹐兩對鼻孔全部位於頭部外表面﹐鼻子祗是嗅覺器官﹐與呼吸沒有關係。鼻子從嗅覺器官演化為四足動物呼吸道的第一步﹐是演化出鼻腔在口腔中的開口﹐也就是內鼻孔。內鼻孔是怎樣進入口腔的﹐過去一直不太清楚。中國科學院古脊椎動物與古人類研究所朱敏研究員發現﹐肯氏魚的後面一對鼻孔正好處於口腔內外的交界處。就這樣﹐化石記錄完美地保存下了內鼻孔演化的過渡狀態。

  在東生魚和肯氏魚之後﹐四足形類肉鰭魚又分化為兩大分支﹐其中的一支演化出了三列鰭魚類。三列鰭魚類和希望螈類可能有很近的親緣關係﹐三列鰭魚類-希望螈類-四足動物的演化序列雖然還不夠完美﹐但已經提供了足夠的過渡信息。

  而四足形類肉鰭魚演化出的另一支──根齒魚﹐距離登陸也曾祗有一步之遙。根齒魚的鰭十分僵硬﹐可能會像鱷魚一樣在淺水中慢慢接近獵物。在寧夏的晚泥盆世中寧動物群﹐朱敏曾經發現了一種巨大的根齒魚類﹕周氏鴻魚﹐它是這片水域的頂級捕獵者。奇怪的是﹐和過去發現的根齒魚類不太一樣﹐周氏鴻魚有著一個過去只在希望螈類和四足動物中發現的﹑可以靈活運動的“脖子”。這說明周氏鴻魚可以像希望螈類和最早的四足動物一樣﹐在當時的華北大陸水陸之交的環境中自如生活﹐然而它們最終也沒能成功登上陸地。

  我國目前還沒有發現希望螈類的化石﹐也沒有發現過完整的泥盆紀四足動物。不過2004年﹐曾經在寧夏的晚泥盆世中寧動物群發現過一小段四足動物的下頜骨﹐它被命名為中國螈。隨著研究的深入﹐也許未來我們還會在中國找到更多的早期四足動物演化證據﹐幫助我們揭開四足動物起源的奧秘。(盧 靜)

[ 責編﹕張佳興 ]
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