4.1億年前化石解開肺魚演化謎題

肺魚，一種可以“絕境求生”的神奇生物，部分種類能在缺水時(shí)躲入泥中使用肺呼吸，直到雨季才復(fù)蘇。事實(shí)上，肺魚的祖先早在約4.15億年前早泥盆世便已現(xiàn)世，在漫長的演化中展現(xiàn)出順應(yīng)環(huán)境、趨利避害的生存智慧。

近日，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所（以下簡(jiǎn)稱古脊椎所）研究員朱敏團(tuán)隊(duì)與云南大學(xué)等中外機(jī)構(gòu)合作，發(fā)現(xiàn)一種名為“云南古嵴魚”的原始肺魚化石，為破解早期肺魚演化關(guān)鍵環(huán)節(jié)提供了實(shí)物證據(jù)。相關(guān)研究成果發(fā)表于《當(dāng)代生物學(xué)》。

最古老肺魚之謎

希望奇異魚是目前已知最古老、最原始的肺魚物種。該物種化石發(fā)現(xiàn)于云南曲靖和廣西南寧地區(qū)，早在1984年便由中國學(xué)者首次報(bào)道，為探究肺魚的起源及早期演化提供了關(guān)鍵線索。

“希望奇異魚的頭骨雖已具備部分肺魚典型特征，但仍保留著一些肉鰭魚類的骨骼結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出過渡性。”論文作者、古脊椎所副研究員喬妥介紹說。

肺魚類生物的腭方骨和頭骨完全愈合，屬于“自接型”頭骨，且不具有獨(dú)立的前上頜骨。而希望奇異魚雖然具有肺魚類特有的齒板和顱頂甲骨片排列方式，但其卻具有一個(gè)前上頜骨，且腭方骨獨(dú)立存在，并未與頭骨愈合，屬于“雙接型”頭骨。因此，鑒于這樣明顯的形態(tài)斷層，有人甚至對(duì)希望奇異魚是否屬于肺魚提出了質(zhì)疑。

雖然北美泥盆紀(jì)布拉格期地層曾有北美真肺魚（頂嵴魚）化石現(xiàn)世，但該化石已嚴(yán)重扁平，無法展示腦顱等內(nèi)部立體結(jié)構(gòu)。

希望奇異魚和早期肺魚之間過渡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是否真實(shí)存在？相關(guān)形態(tài)特征又是如何演化發(fā)展而來的？這成為多年來縈繞在學(xué)界上空的演化迷云。

三維化石首現(xiàn)世

“此次在云南昭通下泥盆統(tǒng)地層發(fā)現(xiàn)的云南古嵴魚化石，是學(xué)界首次在泥盆紀(jì)布拉格期地層發(fā)現(xiàn)的三維保存肺魚頭骨化石，長度僅約25毫米，卻蘊(yùn)含著豐富的演化信息。”論文作者、古脊椎所副研究員崔心東說。

據(jù)他介紹，云南古嵴魚生存于約4.1億年前，略晚于希望奇異魚，且處于后續(xù)艾姆斯期肺魚快速輻射演化之前，“是解開肺魚演化謎題的最佳研究對(duì)象”。

借助高精度CT掃描與三維重建技術(shù)，喬妥、崔心東與團(tuán)隊(duì)其他成員對(duì)云南古嵴魚展開了細(xì)致的關(guān)鍵形態(tài)特征觀察。

他們發(fā)現(xiàn)，云南古嵴魚的腭骨形態(tài)與北美真肺魚相近，表面布滿小型錐形齒突，后部還存在光滑區(qū)域，同時(shí)又保留了希望奇異魚的原始特征，如上唇具牙齒、松果體區(qū)域隆起明顯等。

除此之外，云南古嵴魚還具備諸多獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，如約占腭面長度1/3的巨大鼻腔、腦顱兩側(cè)異常發(fā)達(dá)的內(nèi)收肌等。崔心東推測(cè)：“這說明它可能擁有強(qiáng)大的咬肌，主要以堅(jiān)硬的甲殼類生物為食。”

成功填補(bǔ)演化缺環(huán)

以云南古嵴魚形態(tài)為基礎(chǔ)，團(tuán)隊(duì)首次將除最原始的希望奇異魚之外的所有肺魚類群，明確定義為“真肺魚類”。該類群具有“自接型”頭骨、發(fā)達(dá)的腦顱肌脊等關(guān)鍵鑒別特征。

“云南古嵴魚完美契合真肺魚類基部的演化位置。”喬妥解釋說，其腭方骨與腦顱呈現(xiàn)部分融合狀態(tài)，屬于從原始肉鰭魚類“雙接型”向真肺魚類典型“自接型”頭骨演化的過渡階段。系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果也印證了該想法。

結(jié)合年代測(cè)定數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)得出核心結(jié)論：從最原始的希望奇異魚到真肺魚類的分化，僅發(fā)生在4.16億至4.12億年前約400萬年的時(shí)間里，證實(shí)早期肺魚曾經(jīng)歷過快速的輻射演化。

“這種快速演化可能與肺魚演化出的牙齒特化、咬肌強(qiáng)化、頭骨結(jié)構(gòu)優(yōu)化等適應(yīng)性特征相關(guān)，使其在生態(tài)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位。”喬妥說。

與此同時(shí)，基于云南古嵴魚與北美早泥盆世真肺魚在形態(tài)上的高度相似性，團(tuán)隊(duì)推測(cè)，4.1億年前的華南板塊與北美板塊也許距離較近或存在陸地連接，為肺魚共同祖先的跨洋擴(kuò)散提供了地理?xiàng)l件。