5億年前「麒麟蝦」揭示節肢動物起源之謎
2020-11-06 中國科學報作者 |韓揚眉
生命從哪裡來？是如何演化的？要到哪裡去？這些是自然界留給古生物學家的「靈魂拷問」。
5.4億年前，「寒武紀大爆發」到來，複雜多樣的生命在地球上「突然」出現，成為裡程碑式的重大生命演化事件。
從達爾文開始，生命如何「突然」發生，一直是困擾科學界的重大科學謎題，也成為一代代古生物學家執著破解的難題。
11月5日，《自然》報導了中科院南京地質古生物研究所研究員朱茂炎研究團隊發現的一種5億多年前長相奇特的化石——「章氏麒麟蝦」（以下簡稱麒麟蝦）。
它被認為是科學界期盼已久的、可以揭示節肢動物起源之謎的過渡型物種，麒麟蝦的發現填補了節肢動物起源過程中關鍵的缺失環節，給生物進化論增添了一個強有力的化石證據。
章氏麒麟蝦正模標本 南京古生物所供圖
達爾文的困惑
1859年，達爾文在《物種起源》裡特別提到，動物界以三葉蟲為代表的複雜類群在最古老含化石的巖石中「突然」出現，而複雜動物在寒武紀「突然」出現是對進化論的巨大挑戰。
1984年，中科院南京地質古生物研究所（以下簡稱南京古生物所）的科學家在雲南澂江縣帽天山發現了寒武紀早期澄江動物群，更加凸顯了「寒武紀大爆發」的突發性，也使「達爾文的困惑」變得更加「迷惑」。
1999年，南京古生物所在帽天山建立了澄江古生物研究站，致力追尋生命的起源和演化，解釋「達爾文的困惑」。
論文通訊作者之一、南京古生物所研究員趙方臣是澄江古生物研究站站長，他告訴《中國科學報》，澄江動物群是一個舉世罕見的化石庫，澄江動物群中化石豐富且保存精美，生動再現了5.2億年前海洋生物的真實面貌。
「澄江動物群中，絕大多數現生動物門類的演化歷史可追溯到寒武紀，為揭示生物『寒武紀大爆發』的奧秘提供了極其珍貴的證據。」
達爾文進化論提到，在現存和已滅絕的所有物種之間，中間和過渡環節的數量一定是難以想像的多。
「因此，想要破解『寒武紀大爆發』之謎，科學家就需要找到動物門類起源的過渡型祖先化石。」論文通訊作者之一、南京古生物所研究員黃迪穎說。
其中，節肢動物是理解「寒武紀大爆發」的重要例證之一。
科學家在澄江動物群中發現，從寒武紀大爆發開始，節肢動物便是地球上多樣性最高、生態適應最成功的動物門類之一。
在今天，它們也是地球上個體數量最多的動物，且佔據了動物界中大約80%的物種多樣性。
從人見人愛的螃蟹、小龍蝦、蝴蝶，到人人喊打的蒼蠅、蚊子等，它們都屬於節肢動物，在海、陸、空各種環境下都有它們的身影。
然而，節肢動物是怎麼演化來的？它們的祖先又長什麼樣？100多年來，科學家追尋著這一生物進化難題的答案。
15年找到並解析關鍵「過渡化石」
黃迪穎告訴《中國科學報》，現今的節肢動物（又稱真節肢動物）具有硬化的表皮、癒合的頭殼、多節的軀幹和分節的腿肢等特徵。
自上世紀90年代以來，關於節肢動物起源的研究源源不斷。
「奇特的蝦」和「寒武紀五眼怪」的發現，是具有重要意義的事件。
「奇特的蝦」真名奇蝦，因其體形巨大、身體造型奇特而得名。
趙方臣介紹，奇蝦最早在澄江動物群中被發現，是體長可達兩米的頂級捕食動物，具有分節的大附肢，被認為是節肢動物祖先類型。
但是，奇蝦和真節肢動物形態差異巨大，兩者之間存在著難以跨越的演化鴻溝。
這一鴻溝成為探索「節肢動物起源之謎」的關鍵缺失環節。
「寒武紀五眼怪」真名為奧帕賓海蠍，因特有的五隻眼睛而得名，最早在加拿大的布爾吉斯頁巖動物群中被發現，它也被認為是節肢動物祖先類型。
但是，寒武紀節肢動物之間的演化關係仍尚無定論。
2005年，朱茂炎研究團隊開始收集節肢動物標本，歷經15年，終於尋找到6塊稀有的長相奇特的化石——麒麟蝦，得以一步步揭開「節肢動物起源之謎」的面紗。
論文第一作者、南京古生物所助理研究員曾晗告訴《中國科學報》，此次發現的麒麟蝦化石，身體具有明顯的真節肢動物特徵，它的頭部組合了節肢動物祖先類型奇蝦和奧帕賓海蠍的形態構造，「這一種罕見的嵌合動物」。
為了進一步驗證麒麟蝦作為過渡化石的角色，研究團隊採用多種技術手段，對麒麟蝦化石進行了精細的比較解剖學研究；以多年積累的研究數據為基礎，結合麒麟蝦獨特的嵌合形態和演化發育生物學分析，證實了奇蝦和真節肢動物第一對附肢的同源性。
那麼，麒麟蝦在節肢動物的演化過程中處在哪個位置？研究人員通過譜系發生重建，計算反演出早期節肢動物演化關係和附肢形態轉變的新模型。
結果表明，麒麟蝦的演化位置處於奇蝦和其他真節肢動物之間，位於真節肢動物的根部。
「生命之問」仍存謎團
「麒麟蝦代表了達爾文進化論預言的重要過渡化石，給生物進化論增添了一個強有力的化石證據。」黃迪穎說。
麒麟蝦的發現也得到國際同行的高度評價。
他們認為，「這一完美而出人意料的過渡型動物，填補了節肢動物演化史一個知識空白」「架起了節肢動物演化的重要過渡環節，涵蓋了節肢動物幾個關鍵造型革新的起源」「解決了早期節肢動物頭部前附肢同源性的爭議問題」。
南京古生物所所長詹仁斌說，經過幾代科學家的努力，人們對動物起源之謎有了諸多重要認識，但這遠不是終點，仍有許多「謎團」等待解開。
事實上，中國有著很多全世界獨一無二的化石寶庫，保存著精美的化石材料。
「這些材料為我們揭秘『寒武紀大爆發』、解析生物起源之謎提供了優質的研究資源，未來要繼續利用先進的技術方法，加強國際同行合作交流，不斷取得新突破。」詹仁斌說。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2883-7
《中國科學報》 (2020-11-06 第1版 要聞 原標題為《節肢動物起源圖景再添關鍵拼圖》)
編輯 | 趙路
排版 | 郭剛
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