地球上現(xiàn)存99.8%得脊椎動物都具有頜骨（上頜與下巴），統(tǒng)稱為有頜脊椎動物或有頜類。有頜類得出現(xiàn)與崛起是“從魚到人”得脊椎動物演化史上最關(guān)鍵得躍升之一。這一躍升具體發(fā)生在何時？又是如何發(fā)生得？
近期，中國科學院古脊椎動物與古人類研究所朱敏院士團隊在重慶、貴州等地志留紀早期距今約4.4億年得地層中發(fā)現(xiàn)“重慶特異埋藏化石庫”和“貴州石阡化石庫”，填補了全球志留紀早期有頜類化石記錄得空白，首次為有頜類得崛起與最早期輻射分化提供確切證據(jù)。
重慶生物群中得化石。新京報感謝 張璐 攝
團隊采用新技術(shù)新方法對魚類化石開展了詳細研究，在有頜類最早期分化、重要器官和身體構(gòu)型演化等重要科學問題得探索中取得新進展，刷新了傳統(tǒng)認知。英國《自然》雜志于北京時間9月28日23時發(fā)表團隊得4篇學術(shù)論文，集中報道了這批研究成果。
化石缺失曾使“有頜類”起源成謎
“頜”得出現(xiàn)，應運而生得是脊椎動物得“崛起”、沒有頜，噬人鯊、恐龍都將無法捕食。人類得很多重要器官與身體構(gòu)型都可追溯到有頜類演化之初。
有頜類得起源與崛起是脊椎動物演化史中最關(guān)鍵得躍升之一，然而，有頜類化石直到泥盆紀之初（4.19億年前）才大量出現(xiàn)，而分子生物學資料證明，有頜類起源時間應早于奧陶紀晚期（約4.5億年前）。因此，有頜類得早期演化存在一段至少綿延三千萬年、橫跨奧陶紀晚期和志留紀（約4.4億年前-4.2億年前）得巨大記錄空白。
古脊椎動物學巨擘阿爾弗雷德·羅美爾曾經(jīng)將其稱為“古生物學史上一個頑固存在得重大空白”。由于這個空白得存在，盡管人們知道有頜類在志留紀已經(jīng)存在，但對它們到底長什么模樣、有多大、處于什么生態(tài)位、如何演化等問題一無所知，甚至不能確定志留紀地層中發(fā)現(xiàn)得零星棘刺、鱗片是否屬于有頜魚類。
化石實證得缺失使“有頜類得起源與崛起”籠罩在重重迷霧之中，有頜類在其出現(xiàn)得前三千萬年一直是“幽靈支系”。長期以來，學界僅能通過零散保存得鱗片與棘刺等，“盲人摸象”般地推測最早有頜類得身體構(gòu)型。
重慶生物群帶來“魚類得黎明”
為了填補這一空白，近十年來，中國科學院院士朱敏帶領(lǐng)團隊踏遍我國志留紀地層二百多個地點，終于在華南志留紀早期地層中發(fā)現(xiàn)“重慶特異埋藏化石庫”和“貴州石阡化石庫”，找到了破解謎題得鑰匙。
其中，“重慶特異埋藏化石庫”得時代約為4.36億年前，是目前世界上唯一保存志留紀早期完整有頜類化石得特異埋藏化石庫，堪稱“魚類得黎明”。
重慶生物群中得有頜魚類及無脊椎動物海蝎化石。中國科學院古脊椎動物與古人類研究所供圖
“化石是在特殊條件下保存下來得，全球得同行都沒有想到能發(fā)現(xiàn)如此古老和完整得化石。古魚化石不僅數(shù)量眾多、種類齊全，而且保存十分完整、精美。它們呈現(xiàn)了很高得多樣性，提供了前所未有得解剖學信息。”朱敏院士說，這是繼澄江生物群、熱河生物群之后，又一個在我國發(fā)現(xiàn)得世界級特異埋藏化石庫，為探索生命之樹演化重要節(jié)點提供大量關(guān)鍵證據(jù)。
這些化石是如何被發(fā)現(xiàn)并帶回來研究得？中國科學院古脊椎動物與古人類研究所副研究員朱幼安用手機展示了一張支持，里面是像小山一樣高得石堆，這就是科研人員得工作環(huán)境。化石在石頭上像一小塊黑污漬一樣，科研人員要用“慧眼”和經(jīng)驗將它們分辨出來。“我們是手持地質(zhì)錘將石塊一個個敲開得，如果用其他機械或者大錘子，一錘就砸碎了。”一旦發(fā)現(xiàn)魚化石，科研人員要將其拿回實驗室修復，在顯微鏡下用細鋼針一點點把魚“剔”出來。“這個過程中不能劃，不能銼，一針剔下得圍巖最多也就一粒沙子那么大。”可以人員修化石十分精細，少則一周，多則一兩年。
野外挖掘照片。中國科學院古脊椎動物與古人類研究所供圖
找到重慶特異埋藏化石庫，也有一段故事。朱幼安說，科研人員首先必須知道哪里有志留紀早期地層，這依賴于上百年來，地質(zhì)地層學者一步步將每個時代上下地層完全搞清楚。2018年，重慶新開了一條天路，通常新開得路上都會挖出新鮮得石頭，中科院古脊椎所和曲靖師范學院聯(lián)合培養(yǎng)得博士后李強就在附近開始尋找。當天下著雨，他找了一天也沒有找到，正有點泄勁，突然從滑坡得落石中發(fā)現(xiàn)了一塊完整得志留紀晚期有頜類化石。此后3年中，科研人員不斷找尋并有新得發(fā)現(xiàn)，最終找到了大量志留紀早期得珍貴化石。
將完整有頜類得化石記錄前推1100萬年
重慶生物群得魚類化石雖然保存完整，但魚得個體通常都非常小，大多長3、4厘米，它們骨骼非常輕薄而且本身和巖石之間沒有密度差，因為給研究帶來了很大挑戰(zhàn)，甚至連基本得照相工作都非常困難。
為此，團隊歷時近三年，使用高精度CT掃描、精細三維重建、掃描電鏡元素分析、全光位圖像、多元統(tǒng)計分析在內(nèi)得多種手段開展細致研究和反復探索，使得這些化石“吐露”了大量珍貴得解剖學信息。
中國科學院古脊椎動物與古人類研究所研究員盧靜說，此次研究首次將全光位技術(shù)應用到古脊椎動物研究中，能觀察到標本更多得細微紋理和結(jié)構(gòu)細節(jié)，并可以操作改變虛擬光源，可重復可檢驗地呈現(xiàn)化石立體圖像。
“以往這種技術(shù)通常應用在法醫(yī)鑒定和考古研究中，用于鑒定指紋、筆跡和銘文等細微痕跡。還有研究人員用它來研究昆蟲得翅脈紋路。”她說，化石很小而且被壓得非常扁，需要調(diào)整光源來不停地觀察細微得結(jié)構(gòu)。機器就像一個罩子，里面有一圈圓形得燈，在拍攝過程中會依次逐個亮起來。研究人員會獲得一個虛擬得環(huán)境光，通過改變光得方向，更好地觀察細節(jié)結(jié)構(gòu)。她提到，以往論文中，研究人員通常僅提供一種光照條件下得一張照片，呈現(xiàn)得圖像可能有可重復性和可檢驗性得問題。此次通過全光位技術(shù)，可以給其他研究者共享攜帶細微三維表面信息得數(shù)字圖像，并讓其他人自己操縱改變光源得方向和強度，檢驗形態(tài)信息及解釋是否準確。
有頜類直到志留紀晚期（4.25億年前）才出現(xiàn)較完善得化石記錄。此次研究將完整有頜類得化石記錄前推了1100萬年，將若干人類身體結(jié)構(gòu)得起源追溯到4.36億年前得化石魚類中。
這些化石中，無頜得盔甲魚類靈動土家魚為脊椎動物成對附肢起源提供關(guān)鍵化石證據(jù)；有頜得蠕紋沈氏棘魚是迄今所知最早得保存完好得軟骨魚，確證了鯊魚是從“披盔戴甲”得祖先演化而來。而另一種有頜魚類奇跡秀山魚則糅合了多個盾皮魚大類得特征，為探究有頜類生命之樹根部主要類群得起源和脊椎動物頭骨演化提供了珍貴資料。
奇跡秀山魚復原圖。中國科學院古脊椎動物與古人類研究所供圖
4.39億年前得魚化石，將牙齒得最早化石記錄前推1400萬年
十余年來，朱敏團隊同時在貴州志留紀早期地層中開展野外工作。前年年，他們在石阡取得突破。“貴州石阡化石庫”時代距今4.39億年，含有數(shù)量多、保存好得有頜類微體化石。科研人員從野外采回得近4噸魚類微體化石樣品中，前后共發(fā)現(xiàn)23枚有頜類牙齒標本。
這些牙齒只有2.5毫米長，通過高精度CT、三維復原以及組織學切片等技術(shù)手段，研究人員對4.39億年前得雙列黔齒魚開展了細致得研究，揭秘了最早有頜類牙齒得生長結(jié)構(gòu)和發(fā)育特征。志留紀早期發(fā)現(xiàn)牙齒化石是非常罕見得，這是迄今為止有頜類出現(xiàn)得最早、最直觀得證據(jù)，將牙齒得最早化石記錄前推了1400萬年。
黔齒魚復原圖。中國科學院古脊椎動物與古人類研究所供圖
系統(tǒng)發(fā)育分析，表明黔齒魚隸屬軟骨魚類全群，支持了早在奧陶紀生物大輻射時期（約4.85億至4.5億年前）就已經(jīng)出現(xiàn)有頜脊椎動物得觀點。
4.4億年前，有頜類已經(jīng)在華南地區(qū)欣欣向榮
朱敏院士稱，“重慶特異埋藏化石庫”和“貴州石阡化石庫”得發(fā)現(xiàn)在古生物學史上第壹次大規(guī)模展示了志留紀魚群特別是有頜類得面貌，揭示了早期有頜類崛起得過程。4.4億年前，有頜類各大類群已經(jīng)在華南地區(qū)欣欣向榮；到志留紀晚期，更多樣、更大型得有頜類屬種出現(xiàn)并開始擴散到全球，開啟了魚類登陸并最終演化成為人類得進程。
對“重慶特異埋藏化石庫”和“貴州石阡化石庫”得化石研究，將很多與人類相關(guān)得解剖學結(jié)構(gòu)追溯到4.4億年前得遠古魚類，填補了“從魚到人”演化史上缺失得最初始環(huán)節(jié)，更新了對有頜類起源與崛起得傳統(tǒng)認知，進一步夯實了“從魚到人”得演化路徑。
“重慶特異埋藏化石庫”和“貴州石阡化石庫”未來還將繼續(xù)為解開圍繞有頜類起源得重重謎團做出貢獻。
新京報感謝 張璐
感謝 劉茜賢 校對 楊許麗
