古脊椎所,|,楊氏魚揭示肺魚類食殼性起源與快速演化

然而,曾挑戰肉鰭魚類傳統分類觀念的楊氏魚,除頜弓外的其他與食性相關的解剖學結構,如頜弓、舌弓、鰓弓及腭部結構等迄今猶未可知,使得肺魚類食殼性相關特徵的起源時間與出現順序尚未分清。

最古老的肺魚幹群成員先驅楊氏魚是早泥盆世西屯脊椎動物群中原始肉鰭魚類的典型代表之一,自1981年由張彌曼院士命名並採用連續磨片法、製成蠟質模型開展細緻研究以來,這條魚就引起了國際上延續至今的對肉鰭魚類系統關係和四足動物起源問題的反思與熱烈討論。後續的一些相關研究逐漸證明楊氏魚是肺魚形類的原始代表,與包括奇异魚在內的所有肺魚類構成“姊妹群”,其發現還為肺魚-四足動物分歧點提供了一個約束良好的最小估算時間。然而,曾挑戰肉鰭魚類傳統分類觀念的楊氏魚,除頜弓外的其他與食性相關的解剖學結構,如頜弓、舌弓、鰓弓及腭部結構等迄今猶未可知,使得肺魚類食殼性相關特徵的起源時間與出現順序尚未分清。近年在化石發掘工作中采獲的兩件楊氏魚標本幸運地保存了舌弓、鰓弓及腭部結構,相關研究將為解答上述問題帶來曙光。

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《自然通訊》(Nature Communications)雜誌上發表了有關楊氏魚食性方面的最新研究成果(圖1)。該項進展深入研究了兩件保存有與食性相關的解剖學結構的標本,明確揭示了楊氏魚的食殼性,並定量分析了肺魚類的分化時間和特徵演化速率,不僅為揭示肺魚類與食性相關結構的初始變化提供了關鍵化石實證,而且為肺魚類的食殼性起源研究提出了一個全新的假說。

圖1先驅楊氏魚生態復原圖(Brian Choo繪)

一、肺魚類如何獲得食殼能力

肺魚,顧名思義,是一類可以用“肺”呼吸的肉鰭魚。它們的“肺”其實是特化的魚鰾,能吸收空氣。這一特殊技能使得肺魚可以擺脫水的束縛,在河水乾涸之際潜入洞穴,躲在分泌物形成的繭中等待雨季的到來。除此之外,肺魚還是一種能“啃硬骨頭”的魚:它們的腭部內翼骨和下頜的前關節骨長有起研磨作用的齒板;下頜短而粗壯,直接連接在腦顱上;頜骨的內收肌非常發達。這使得肺魚具有强大的咬合力,能够捕食帶硬殼的無脊椎動物,這種特殊的攝食管道被稱為“食殼性”或“甲食性”。

泥盆紀早期(約4.1億年前)的希望奇异魚被認為是最原始的肺魚,它已經具有了典型的肺魚食殼性特徵,例如發達的齒板與短而粗壯的下頜。楊氏魚的系統發育位置處在孔鱗魚類(肺魚形類的另一重要分支)和奇异魚之間,較奇异魚更為原始。囙此,楊氏魚是研究肺魚類食殼性起源的關鍵。本工作研究的兩件楊氏魚標本幸運地保存了舌弓、鰓弓及腭部結構(圖2)。化石資料顯示,楊氏魚腭方骨後部區域的內收肌窩深且寬闊,為內收肌提供了一個很大的空間,且腭方骨後緣近垂直,囙此,楊氏魚應該擁有强大的咬合力;其舌頜骨短而粗壯,與肺魚類似;內翼骨上牙齒的形態與排列方式已經與奇异魚和其他原始肺魚非常相似,但楊氏魚依然保留著具有大牙的外翼骨和膜質腭骨,只是牙齒非常粗壯且鈍圓。綜合這些解剖學結構,研究人員還原了楊氏魚的進食管道:主要使用粗鈍的大牙碾碎獵物,而齒板上那些較小的牙齒則起到輔助固定作用。

圖2先驅楊氏魚標本三維重建模型

奇异魚和更進步的肺魚具有更强的食殼能力。它們的腭方骨與腦顱融合,外翼骨和膜質腭骨遺失,內翼骨增厚形成強壯的齒板,能够有力地研磨獵物(圖3)。輻鰭魚類和孔鱗魚類等則展現出截然不同的樣式:腭方骨眶後部分的內收肌窩短而淺,舌頜骨呈棒狀並向前傾斜,上下頜、外翼骨、腭部骨骼的大牙都非常尖銳。這種結構比較適合快速張開口腔,從而產生負壓將獵物吸入口腔直接吞入腹中,或者先用大牙刺穿、殺死獵物,然後再將其咽下(圖3)。

圖3肺魚及其近親的分化時間、性狀演化速率以及代表屬種的頭部骨骼(崔心東供圖)

二、肺魚類的早期快速演化

肺魚類從一出現便顯示出高度的特异性,並且多樣性非常高,被認為在演化階段初期經歷了快速演化。本項工作採用貝葉斯末端定年法定量地分析了古生代肺魚類的系統發育關係、分化時間及特徵的演化速率,分析結果支持了以上假說(圖4)。肺魚類在志留紀晚期至早泥盆世洛赫考夫期末之間一個約7百萬年的窗口期起源並經歷了快速演化,尤其是與取食相關的特徵明顯比其他特徵具有更高的演化速率。

肺魚類自起源後迅速輻射演化,成為泥盆紀多樣性最高的肉鰭魚類。相反,肺魚形類的另一個主要分支——孔鱗魚類:形態特徵相對保守,多樣性低,最終在泥盆紀末期滅絕(圖4)。肺魚類的成功很可能得益於演化初期在食性上的快速演化,使其開闢出新的生態空間,而先驅楊氏魚恰好記錄了這一關鍵革新的初始狀態。

圖4肺魚類特徵的演化速率(崔心東供圖)

論文第一作者為中國科學院古脊椎動物與古人類研究所應屆博士畢業生崔心東,通訊作者為朱敏院士,共同作者包括美國密歇根大學Matt Friedman教授、中國科學院古脊椎動物與古人類研究所喬妥副研究員和博士研究生餘逸倫。本研究得到了國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項、中國科學院大學地質與地球物理學高精尖學科建設項目的資助。

原文連結:https://www.nature.com/articles/s41467-022-30091-3

資料標籤: 科普
本文標題: 古脊椎所,|,楊氏魚揭示肺魚類食殼性起源與快速演化
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1655999518965590
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