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人类的共同祖先就是这条鱼?

时间: 2020年03月25日 | 作者: 张毛毛 | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
研究团队找到了鱼类登陆过程中的关键化石——希望螈,这种长有指骨的鱼让我们窥见生命演化的规律,但它们就是人类的直系祖先吗?


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希望螈艺术复原图(图片来源:Katrina Kenny)


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,但对于从鱼类到两栖动物的过渡环节,我们仍然缺乏足够的认识。在发表于《自然》的研究中,研究团队找到了鱼类登陆过程中的关键化石——希望螈,这种长有指骨的鱼让我们窥见生命演化的规律,但它们就是人类的直系祖先吗?


撰文 | 张毛毛


在大约4.2亿~3.6亿年前的泥盆纪时代,海洋中多种多样的鱼类在挣扎求生,抢夺着有限的食物、栖息地甚至是氧气资源。而与此同时,广阔的陆地上却安静得多——蕨类植物和昆虫占领着大片土地,大片宝贵的生态位仍然虚位以待。直到泥盆纪晚期,一部分鱼类开始了登陆的尝试。


鱼类登陆是生命演化史上的一个重要事件,当今陆地上种类繁多的脊椎动物,包括我们人类,都是这一批登陆者的后代。从水生环境到陆生环境的转换会遇到许多困难,而其中最重要的挑战,就是获得在陆地上运动的能力。鱼类的鳍逐渐演化为有力的四肢,在陆地上撑起它们沉重的身躯,并且提供足够的运动能力。



鱼到两栖的过渡阶段


最早的登陆者是谁?对于这个问题,科学界有过许多争论。现在,随着更多化石证据被发现,古生物学家将目光聚集在了肉鳍鱼中的一支——四足形类(tetrapod-like)动物。这一类动物的化石保留了鱼类基本的身体形态,但又具有某些适应陆地生活的特征,因此被认为是鱼类到两栖动物中间的过渡形态。


借助四足形类提供的化石证据,我们得以窥见泥盆纪晚期的肉鳍鱼是如何一步步抛弃掉无力的鳍,获得强壮的四肢,从而登上陆地的。比如我们熟悉的鱼石螈(Ichthyostega)和棘螈(Acanthostega),它们虽然保留有鱼类的特征,但已经抛弃了有鳍条支撑的胸鳍和腹鳍。取而代之的,是由骨骼支撑的四肢,包括数量不等的手指,这证明它们已经拥有了一定的在陆地或水底移动的能力。


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鱼石螈复原图(图片来源:Dr. Günter Bechly)


但是形态特征显示,它们并不能完全离开水环境生活。比如棘螈,它具有扁平的头部和笨重的身躯,前肢无法在肘部弯曲,因此很难在陆地上支撑起它庞大的身躯,更不要说快速移动了。显然,这种动物更多还是生活在水中,四肢平摊划水,而不是放在身体下部提供支撑。也正是考虑到它们很可能无法脱离水体生活,因此尽管命名为“螈”,但它们并不属于狭义上的两栖动物。


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复原的棘螈骨骼(图片来源:Ryan Somma)


同时,古生物学家也发现了更偏向鱼类的化石——提塔利克鱼(Tiktaalik)。2019年发表于《美国科学院院刊》的一项研究发现,相比鱼类祖先,提塔利克鱼的鳍变得更小也更简单了。提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。提塔利克鱼还保留有胸鳍,但是鱼鳍中已经具有骨骼支撑了,只是还缺少明确的指骨。


无论是有鳍条但没有指骨的提塔利克鱼,还是没有鳍条但有指骨的棘螈和鱼石螈,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——既有鳍条支撑,并且已经演化出指骨的鱼类。


带来希望的希望螈


近日,发表于《自然》杂志的一项研究终于补上了这缺失的一环。


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扫描了一件希望螈(Elpistostege watsoni)的标本。


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希望螈(Elpistostege watsoni)标本及复原图(图片来源:Cloutier et al., 2020)


希望螈生活在大约3.8亿年前的浅海及河口区域,长约1.6米,是一种大型的捕食者。这一物种最早发现于加拿大魁北克的Miguasha国家公园,当时只发现了一枚残缺的头盖骨化石,并将它分类为某种早期的四足动物。但随后,在1985年再次发现的部分头骨化石显示,希望螈其实属于肉鳍鱼。2010年,在这里又发现了一件保存非常完好的希望螈完整化石,它也是本次研究的对象。


三维复原结果显示,这种鱼既有鳍条包裹,也拥有明显的指骨。此前的研究显示,希望螈与提塔利克鱼在系统发生学上的关系很近。在看到CT扫描图像后,研究人员惊讶地发现,希望螈比提塔利克鱼更为接近四足动物。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)和掌骨(手掌),甚至还发现了两根明确的指骨,以及三根可能的指骨。


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希望螈胸鳍的骨骼与人类上肢骨骼对比,图中红色为确认的指骨(图片来源:John Long)


“这是第一次在鱼类中观察到指骨和鳍条共存。这个标本中的指骨,与其他四足动物的指骨非常类似。”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(John Long)介绍道。


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。“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。在鳍中增加这些小骨骼让它们能将重量灵活且均匀地分散给整个鳍,”朗教授说,“我们的这项发现将指骨的起源推回到了鱼类。同时这一结果也告诉我们,在鱼类离开水之前,就已经具有脊椎动物基本的四肢结构了。”


论文的通讯作者,加拿大魁北克大学里穆斯基校区的理查德·克卢捷(Richard Cloutier)表示,在过去的十年间,化石证据很好地揭示了鱼类登陆过程中,由于水陆环境变化,在呼吸系统、听觉器官、觅食方式等方面发生的改变。而这一发现填补了鱼类运动能力演化中的空缺。


我们的祖先?


遗憾的是,尽管我们已经发现了如此多由鱼类向两栖动物演化的过渡化石,但它们是否就是人类以及其他陆生生物的祖先,还存在着很大争议。这是因为许多四足动物普遍具有的结构,在这些化石中却没有发现。比如大部分现生的四足动物每只手都有5根手指,而鱼石螈每只手却有6~7根指骨,棘螈甚至有8根。


更有可能的一种情景是,当时不同地区的鱼类纷纷尝试登陆,并发展出了相似的形态。这些希望螈、棘螈和鱼石螈等更有可能是我们祖先在当时的一支竞争者,而我们真正的祖先并没有形成化石保留下来,或是还没有被发现。


但这类研究依然具有重要意义。通过这些化石,我们能够从中窥见生命演化的历史与规律。正如克卢捷所说:“希望螈并不一定是我们的祖先,但是它仍能体现从鱼类到四足动物的演化过程。”


原始论文:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2100-8