研究團隊對海口地區產(chǎn)出的127塊云南蟲(chóng)標本的鰓弓結構進(jìn)行了分析，首次在云南蟲(chóng)咽弓上發(fā)現了微納尺度三維保存的疊盤(pán)狀細胞結構和蛋白微原纖維構造。這證明云南蟲(chóng)具有脊椎動(dòng)物獨有的、由細胞軟骨構成的咽弓，屬于原始脊椎動(dòng)物。

　　現代脊椎動(dòng)物從何而來(lái)？最古老的脊椎動(dòng)物長(cháng)什么樣？這些重大科學(xué)問(wèn)題一直吸引著(zhù)古生物學(xué)家不斷探尋。

　　位于我國云南的澄江動(dòng)物群，保存了大量脊椎動(dòng)物的祖先類(lèi)群。

　　此前，學(xué)界普遍認為最古老的脊椎動(dòng)物是來(lái)自澄江動(dòng)物群的昆明魚(yú)，并推測脊椎動(dòng)物的祖先是一類(lèi)具有脊索、背神經(jīng)管和鰓裂的后口動(dòng)物。然而，這一假想始終沒(méi)有得到化石證據的支撐。

　　如今，這一謎團終于被破解。

　　7月8日，國際權威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》刊發(fā)南京大學(xué)姜寶玉教授課題組和中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所研究員朱茂炎領(lǐng)導的“地球—生命系統早期演化”團隊的研究成果，確認了我國5.18億年前澄江動(dòng)物群中的云南蟲(chóng)是脊椎動(dòng)物的最原始類(lèi)群。

　　云南蟲(chóng)身份界定一度存爭議

　　距今約5.05億年的加拿大布爾吉斯頁(yè)巖動(dòng)物群和距今約5.18億年的中國云南澄江動(dòng)物群，有豐富的、保存精美的以軟軀體結構為特征的動(dòng)物化石。

　　其中，1909年已經(jīng)被發(fā)現的布爾吉斯頁(yè)巖動(dòng)物群，產(chǎn)出了頭索動(dòng)物皮卡魚(yú)和基干脊椎動(dòng)物后斯普里格魚(yú)化石，科學(xué)家在澄江動(dòng)物群中則發(fā)現了包括基干脊椎動(dòng)物昆明魚(yú)和分類(lèi)位置存疑的云南蟲(chóng)在內的多種脊索動(dòng)物化石。這些化石是迄今為止世界上最古老的脊索動(dòng)物，為揭開(kāi)脊椎動(dòng)物起源和早期演化之謎提供了珍貴材料。

　　從形態(tài)上看，云南蟲(chóng)有點(diǎn)類(lèi)似現在的蠕蟲(chóng)，它們身體側扁，一般只有3厘米至4厘米長(cháng)。

　　“不同于具有典型脊椎動(dòng)物特征的昆明魚(yú)，云南蟲(chóng)形態(tài)更接近頭索動(dòng)物文昌魚(yú)，但它在脊椎動(dòng)物起源和后口動(dòng)物系統樹(shù)上的位置一直存在爭議。論文的共同通訊作者、南京大學(xué)教授姜寶玉介紹。

　　1995年，《自然》雜志曾發(fā)表研究，研究將云南蟲(chóng)作為最早的脊索動(dòng)物。《紐約時(shí)報》和《科學(xué)周刊》還對此作了專(zhuān)題評述。

　　在此之后，中國學(xué)者陳均遠等人在昆明海口地區又發(fā)現了大量云南蟲(chóng)新標本。基于這些標本更加精細的解剖學(xué)結構，他們將云南蟲(chóng)歸為原始有頭類(lèi)，認為其演化位置介于頭索動(dòng)物文昌魚(yú)和脊椎動(dòng)物七鰓鰻之間。這一成果1999年在《自然》雜志發(fā)表后，在學(xué)界掀起了有關(guān)云南蟲(chóng)分類(lèi)位置的大討論。

　　“由于不同學(xué)者對云南蟲(chóng)保存各異的軟體組織細節的解釋存在較大差異，云南蟲(chóng)自1991年被首次報道以來(lái)，被分別歸類(lèi)于脊椎動(dòng)物、頭索動(dòng)物、半索動(dòng)物、后口動(dòng)物干群、甚至原始的兩側對稱(chēng)動(dòng)物。”姜寶玉介紹，云南蟲(chóng)分類(lèi)位置存在的爭議嚴重影響了基于這類(lèi)關(guān)鍵化石開(kāi)展脊椎動(dòng)物起源的研究。

　　咽弓特殊特征助其驗明正身

　　針對云南蟲(chóng)分類(lèi)位置之謎，在常規的形態(tài)學(xué)研究無(wú)法達成共識的情況下，研究團隊利用三維X射線(xiàn)斷層掃描顯微鏡、傅里葉紅外光譜、拉曼光譜、掃描電鏡和透射電鏡等多種現代實(shí)驗技術(shù)手段進(jìn)行研究，希望從微觀(guān)解剖學(xué)結構著(zhù)手去破解這一謎題。

　　基于陳均遠等學(xué)者于2003年提出的云南蟲(chóng)鰓弓可能具有細胞軟骨這一重要線(xiàn)索，研究團隊對海口地區產(chǎn)出的127塊云南蟲(chóng)標本的鰓弓結構進(jìn)行了分析，首次在云南蟲(chóng)咽弓上發(fā)現了微納尺度三維保存的疊盤(pán)狀細胞結構和蛋白微原纖維構造。

　　“疊盤(pán)狀細胞結構是軟骨細胞獨特的排列方式，而蛋白微原纖維是脊椎動(dòng)物軟骨常見(jiàn)的細胞間基質(zhì)的纖維結構。這兩個(gè)特征證明云南蟲(chóng)具有脊椎動(dòng)物獨有的、由細胞軟骨構成的咽弓，表明云南蟲(chóng)屬于原始脊椎動(dòng)物。”姜寶玉說(shuō)。

　　為進(jìn)一步確定云南蟲(chóng)的具體演化位置，研究團隊整合了最新的、包括后口動(dòng)物和早期脊椎動(dòng)物化石在內的性狀矩陣，并加入新觀(guān)察到的云南蟲(chóng)性狀，采用貝葉斯算法進(jìn)行重建計算。分析結果支持云南蟲(chóng)處于脊椎動(dòng)物譜系的最基干位置，介于尾索動(dòng)物和其它脊椎動(dòng)物之間。

　　“脊椎動(dòng)物頜的起源，也困擾了學(xué)界很久。19世紀初，有科學(xué)家提出設想，認為在漫長(cháng)的演化中，鰓弓演化出頜弓和與舌弓，但此前一直沒(méi)有找到化石記錄佐證。”姜寶玉介紹，隨后的科學(xué)發(fā)現卻讓人對這一假說(shuō)提出質(zhì)疑。

　　“現生的無(wú)頜脊椎動(dòng)物盲鰻和七鰓鰻的控制前兩個(gè)鰓弓的基因沒(méi)有發(fā)育成頜弓和舌弓，而是發(fā)育成了上下唇，發(fā)育中也看不到鰓弓的痕跡，這與有頜脊椎動(dòng)物的鰓弓不一樣。”姜寶玉說(shuō)，此次研究中，科研人員在確認云南蟲(chóng)的“身份”后，在其相當于第一對咽弓的位置上發(fā)現了與后部其他鰓弓一樣的疊盤(pán)狀細胞結構、鰓絲和蛋白微原纖維等構造。

　　因此，云南蟲(chóng)擁有從前到后彼此相似、同樣具有細胞軟骨的7對咽弓。彼此相似的咽弓也出現在另一種寒武紀基干脊椎動(dòng)物——后斯普里格魚(yú)身上。

　　“云南蟲(chóng)相似的7對系列咽弓的發(fā)現，支持解剖學(xué)家們早在19世紀就已經(jīng)提出的脊椎動(dòng)物咽弓同源理論假說(shuō)，即魚(yú)類(lèi)的鰓弓是頜弓和舌弓的原型，脊椎動(dòng)物的頜弓和舌弓跟后面的鰓弓是系列同源構造。”姜寶玉表示，這意味著(zhù)，雖然現生脊椎動(dòng)物不同位置的咽弓會(huì )發(fā)育成頜弓、舌弓和鰓弓等形態(tài)不同的骨骼，但在脊椎動(dòng)物演化初期不同位置的咽弓是彼此相似的。

　　籃狀咽顱證實(shí)脊椎動(dòng)物祖先咽顱形態(tài)

　　姜寶玉認為，這次研究的另一個(gè)重要新發(fā)現，是云南蟲(chóng)的7對咽弓在腹背兩端被成對的水平軟骨連接，組成了一個(gè)類(lèi)似于籃狀的咽顱。咽顱是指脊椎動(dòng)物頭部消化道周?chē)囊唤M骨片，起到支撐和保護作用，現生脊椎動(dòng)物的咽顱由頜弓、舌弓和鰓弓等咽弓的骨骼構成。

　　“籃狀咽顱是現生無(wú)頜類(lèi)脊椎動(dòng)物和化石無(wú)頜類(lèi)真顯魚(yú)的典型特征，然而寒武紀后斯普里格魚(yú)和有頜類(lèi)脊椎動(dòng)物的咽顱由一系列彼此分離的軟骨棒組成。”姜寶玉說(shuō)，后斯普里格魚(yú)的這種咽顱特征引起了關(guān)于脊椎動(dòng)物祖先咽顱形態(tài)的爭議。出現更早、位于脊椎動(dòng)物最基干位置的云南蟲(chóng)咽顱特征支持籃狀咽顱是更古老的祖先特征這一觀(guān)點(diǎn)。

　　由此可見(jiàn)，作為現生脊椎動(dòng)物最古老的近親，云南蟲(chóng)為揭示脊椎動(dòng)物的起源和早期演化提供了關(guān)鍵證據，對脊椎動(dòng)物頜和其他關(guān)鍵特征演化的探索均將產(chǎn)生深遠的影響。

　　姜寶玉認為，“從另外一個(gè)角度來(lái)看，該項研究再一次展示了澄江動(dòng)物群化石具有保存微納尺度精細生物學(xué)結構的潛力。”

　　此次成果也得到了《科學(xué)》雜志審稿人的高度評價(jià)：“這是對科學(xué)的重大貢獻，該論文將成為古脊椎動(dòng)物學(xué)的一篇關(guān)鍵論文，展示了人們期待已久的、最可信的解剖結構化石證據，解決了寒武紀干群脊椎動(dòng)物爭議問(wèn)題。他們所展示的信息是一個(gè)里程碑，在未來(lái)的許多年里，即使更高分辨率的研究也難以超越。”（記者金鳳）