生命起源于海洋已經(jīng)成為科學(xué)屆的普遍認(rèn)知。然而從魚類到人類這中間的進(jìn)化歷程卻眾說紛紜。

近日，中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所朱敏院士團(tuán)隊(duì)，同英國(guó)皇家科學(xué)院院士Philip C.J. Donoghue和瑞典皇家科學(xué)院院士Per E. Ahlberg共同在Frontiers Ecology and Evolution上發(fā)表了關(guān)于脊椎動(dòng)物噴水孔起源的最新研究成果，首次證明了人類的中耳曾經(jīng)是魚類用來呼吸的鰓，并從進(jìn)化角度解釋了人類耳朵和口腔是如何形成連貫相通的。

兩個(gè)世紀(jì)以來，古生物學(xué)界開始對(duì)生物不同類器官的起源提出了不同的假說。其中較為經(jīng)典的是1872年，德國(guó)著名解剖學(xué)家卡爾·根格包爾（Carl Gegenbaur）首次從詳細(xì)的解剖學(xué)（包括鰓弓、腦神經(jīng)、肌肉等）角度，提出了脊椎動(dòng)物頭部的分節(jié)理論，他認(rèn)為脊椎動(dòng)物的領(lǐng)弓和舌弓跟后面普通的鯉弓一樣，是系列同源構(gòu)造，都是頭部的分節(jié)之一。

基于此，20世紀(jì)以來的古生物學(xué)家開展了大量的研究，但都沒有找到一個(gè)未退化鰓裂（指咽部?jī)蓚?cè)一系列成對(duì)的裂縫，直接或間接與外界相通。低等脊索動(dòng)物及魚類的鰓裂終生存在，其他脊椎動(dòng)物僅在胚胎期有鰓裂。特指魚類時(shí)又稱"咽鰓裂''，具有氣體交換功能）的確鑿化石證據(jù)。而脊椎動(dòng)物噴水孔（軟骨魚類和少數(shù)低等硬骨魚類眼后具有噴水或吸水功能的孔）的起源更是成為脊椎動(dòng)物進(jìn)化史上一個(gè)長(zhǎng)達(dá)100多年的未解之謎。

Fig.1The distribution of spiracles in extant fishes.

盔甲魚類為東亞地區(qū)特有的一種無頜的魚類，目前僅發(fā)現(xiàn)于中國(guó)和越南北部，已有100多年發(fā)現(xiàn)史。早在今年3月份，朱敏院士團(tuán)隊(duì)蓋志琨研究員便在我國(guó)江西首次發(fā)現(xiàn)迄今最古老、最原始的真盔甲魚類化石記錄。盔甲魚是骨甲魚類與有顎脊椎動(dòng)物的姐妹群（在分支分類學(xué)中具有一個(gè)不為其他分類單元所共有的祖先的兩個(gè)分類單元稱為姐妹群）。骨甲魚類具有高度專業(yè)化的顱骨解剖結(jié)構(gòu)，具有前向咽部，但盔甲魚類缺乏這些專業(yè)化，因此可以為頜骨進(jìn)化起源之前脊椎動(dòng)物頭部的進(jìn)化發(fā)育過程研究上提供關(guān)鍵信息。

如何發(fā)現(xiàn)古老的化石是一件相對(duì)困難的工作，而從古老的化石中解讀出有用的信息則更是一件難上加難的工作。這些工作的取得不僅需要深入的專業(yè)知識(shí)，更離不開現(xiàn)代高精尖儀器的支持。

Fig.2 Virtual endocast and oralobranchial chamber of Shuyu zhejiangensis and its associated cranial nerve and blood vessels.

在本研究中，研究人員花費(fèi)4年時(shí)間從野外工作中成功獲得了僅有指甲蓋大小的盔甲魚化石，隨后同國(guó)外研究團(tuán)隊(duì)合作使用同步輻射X射線顯微成像技術(shù)對(duì)樣品進(jìn)行了三維無損掃描，并花費(fèi)一年時(shí)間對(duì)7件標(biāo)本進(jìn)行了三維重建，完好重現(xiàn)了盔甲魚中的所有腦區(qū)、感覺器官、頭部神經(jīng)及血管通道。

在此基礎(chǔ)上，研究人員對(duì)上述三維建模進(jìn)行深入的分析，發(fā)現(xiàn)盔甲魚類的鰓間脊是其鰓弓的背側(cè)部分，進(jìn)一步與腦顱的融合形成了具有防護(hù)作用的頭甲，這與魚鱉通過肋骨擴(kuò)大形成的龜甲較為類似！并且，進(jìn)一步的解剖學(xué)、拓?fù)鋵W(xué)、形態(tài)學(xué)等多個(gè)方面分析表明盔甲魚的舌頜囊是一個(gè)為退化的鰓囊，但其是否具有正常的呼吸功能仍然需要在化石中找到其鰓絲存在的證據(jù)！

Fig.3 Natural casts of oralobranchial chamber in galeaspids

為了填補(bǔ)這缺失的一環(huán)，找到鰓絲存在的確鑿化石證據(jù)，研究人員在云南曲靖又展開了數(shù)年的野外研究。終于首次采集到了第一個(gè)在第一鰓囊中完整保存鰓絲印痕的盔甲魚的化石，進(jìn)一步證明了盔甲魚的第一鰓囊是具有正常呼吸功能的鰓，而非退化的噴水孔，從而為脊椎動(dòng)物噴水孔的起源提供了最為確切的解剖證據(jù)和化石證據(jù)。

Fig.4 The transition from spiracular pouch of fishes to the middle ear cavity of tetrapods.

噴水孔在現(xiàn)代軟骨魚中主要用來呼吸獲得氧氣。然而在進(jìn)化的歷程中，噴水孔在99%以上的硬骨魚中已經(jīng)退化消失。基于此，研究人員繪制了完整的噴水孔從魚類到陸地動(dòng)物的進(jìn)化歷程。

本研究有力證明了噴水孔在史前早期硬骨魚中曾廣泛存在，并可以用來呼吸，這很可能為魚類離開水域進(jìn)入陸地提供了先決條件。而此后，內(nèi)鼻孔的出現(xiàn)更是打通了鼻腔與空腔，使得鼻腔成為新的呼吸器官，并為肺發(fā)育成為呼吸器官奠定了基礎(chǔ)。而在此過程中，曾經(jīng)的噴水孔也被利用逐步發(fā)育為我們的中耳腔（鼓膜室），曾經(jīng)魚類的舌頜骨及與其關(guān)節(jié)的方骨和關(guān)節(jié)骨也逐漸退化變小，最終進(jìn)入到我們的中耳，演化為我們中耳的三塊聽小骨，并被重新命名為鐙骨、錘骨和砧骨，負(fù)責(zé)將聲音傳遞給大腦，我們?nèi)祟悡碛辛遂`敏的聽覺。

Fig.5 The evolution of spiracular region from jawless fishes to tetrapods

大自然的鬼斧神工最終使得魚類用以呼吸的噴水孔成為我們傾聽世界的中耳。如今，我們?nèi)匀豢梢詮倪B通的耳朵和口腔中感受到來自于進(jìn)化的力量和美妙。

參考文獻(xiàn)：

Gai, Zhikun, et al. "The evolution of the spiracular region from jawless fishes to tetrapods." Frontiers in Ecology and Evolution (2022).

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