科學家在白堊紀介形蟲化石中發現已知最早的動物精子

中國科學院南京地質古生物研究所網站9月16日消息，介形蟲是一類具有雙瓣殼的水生微型甲殼類動物，在地球上已經生存了將近5億年。地層中保存其雙瓣殼的化石非常豐富，但其軟體部分通常不易保存。最近，來自中、德、英的研究團隊，利用高解析度顯微斷層掃描技術對產於白堊紀緬甸琥珀中保存有軟軀體的介形蟲化石標本進行了研究，表明介形蟲利用巨型精子進行有性生殖的行為在一億年前就已存在，同時該結果也使已知最早的動物精子記錄提前了至少5000萬年。相關研究成果於2020年9月16日作為封面論文在線發表於英國《皇家學會會刊—B輯》（Proceedings of the Royal Society B）上。

不同介形蟲的三維復原圖，本文圖片均來自中國科學院南京地質古生物研究所網站

介形蟲是一種具雙瓣殼的水生微型甲殼類物，大小通常1 毫米左右。自奧陶紀以來，介形蟲就是地質記錄中最豐富的節肢動物化石之一。介形蟲化石不僅具有重要的生物地層學意義，是油氣勘探中不可或缺的化石門類之一，而且在古環境重建和生物演化研究中也扮演著重要的角色。然而，絕大多數介形蟲化石只保存有鈣化的殼，軟體部分（附肢和身體等）通常難以保存下來。但這些軟體結構往往能夠提供許多重要的古行為學信息，如生殖行為。

近日，中國科學院南京地質古生物研究所「現代陸地生態系統起源與早期演化研究團隊」的王賀博士和王博研究員等，與德國和英國科研人員合作，首次報導了產於白堊紀緬甸琥珀中保存有軟軀體的介形蟲化石。

介形蟲有性生殖器官對比圖（左為化石，右為現代類群）：a和b：抱握器；c和d：卵的橫截面；e和f：精子泵；g和h：介形蟲的精子；i和j：半陰莖；k和l：介形蟲精子細節結構

該枚琥珀重0.676克，長17.5毫米、寬13.5毫米、厚4毫米，共保存了39個介形蟲化石標本。介形蟲個體最大0.59毫米，最小0.24毫米。這些介形蟲歸屬於三個不同的類群，並含有從幼年到成年的較完整的發育序列。通過與現生介形類的生活環境對比，研究認為這些介形蟲當時生活在靠近海邊的瀉湖環境中。

研究團隊利用高解析度顯微斷層掃描技術（顯微CT）對其中的11個標本進行分析，通過近一年的高精度三維圖像重建工作，精細還原了這些介形蟲的殼體和軟軀體（包括附肢、抱握器、曾克氏器（精子泵）、半陰莖、儲精囊、卵和巨型精子）的形態特徵。基於化石功能形態學分析和現生介形蟲的形態和生態學觀察，研究認為其中一類化石介形蟲在進行有性生殖時，雄性通過鉤狀抱握器抓住雌性並將半陰莖伸入雌性個體內，交配中，雄性通過曾克氏器（精子泵）將巨型精子送入雌性體內。曾克氏器因其具有發達的肌肉和螺紋狀的刺，極易從現生個體中發現。巨型精子將儲存在雌性儲精囊內，隨後精子開始具有活性完成受精過程。

本研究首次在白堊紀介形蟲化石中發現介形蟲的巨型精子，其長度至少相當於介形蟲體長的三分之一。該發現也是已知最早的動物精子記錄，將其化石記錄提前了至少5000萬年。該化石研究表明與現代介形蟲有性生殖相關的生殖器官（如抱握器、曾克氏器等）至少在白堊紀中期就已形成，其形態特徵在一億年間沒有發生改變，同時也進一步表明介形蟲的這種利用巨型精子進行有性生殖的行為在一億年前就已存在，為生殖行為的演化停滯現象提供了一個重要實例。本研究還認為這種包含巨型精子的複雜生殖行為提高了介形蟲交配的成功率，促進了非海相介形類在晚中生代的輻射演化。

介形蟲交配行為復原圖（楊定華繪製）

本研究工作由中國科學院、科技部和國家自然科學基金委資助。南京古生物所吳素萍協助完成顯微CT實驗，楊定華繪製了生態復原圖。

論文信息：Wang H, Matzke-Karasz R, Horne DJ, Zhao X, Cao M, Zhang H, Wang B. 2020 Exceptional preservation of reproductive organs and giant sperm in Cretaceous ostracods. Proceedings of the Royal Society B 20201661. http://dx.doi.org/10.1098/rspb.2020.1661.