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海口虫:揭开脊椎动物远祖的面纱

来源:中国科学报 作者: 2017年08月18日 15:41
[导读] 

 

 

陈均远等人对海口虫的研究成果表明,脊椎动物的演化在5.2亿年前就已拉开序幕。这些保存惊人完好的化石,展现了一幅包括人类在内的脊椎动物远祖的生动“肖像”。这一发现被一些国外科学家誉为“人类重塑地球生命史的一项惊人成就”。

 

中国科学报记者 张文静

 

 

云南昆明滇池之畔,海口镇耳材村村后,有一个长2000米、宽1000米的斜坡,当地人称之为“方凳石坎”“大石头”和“发财洞”,那里是村民们背柴休息、取石盖房之所。

 

上世纪的最后一年,村里来了几位古生物学家,他们拿着榔头这里敲敲、那里打打,在此挖掘出了300多件化石。这些化石只有几厘米长,却异常完整、清晰,被命名为海口虫化石。对这些小小化石的研究,揭开了这片土地隐藏的秘密——在5.2亿年前,这里曾是最古老的脊椎动物的栖息地和埋葬地。

 

意料之外的发现

 

1999年,中国科学院南京地质古生物研究所(以下简称南古所)研究员陈均远来到云南昆明海口镇,原本是为了寻找云南虫。

 

云南虫化石是1991年南古所研究员侯先光在云南澄江帽天山发现的。此后,多位古生物学家对云南虫进行了研究。1995年,根据侯先光发现的化石,陈均远等人在《自然》杂志上发表论文,首次将云南虫解读为脊索动物的最早祖先。

 

脊索动物包括尾索动物、头索动物和脊椎动物,堪称动物界最神奇的一门。脊椎动物中的鱼类又演化到两栖类,再到爬行类,从中分化出哺乳类和鸟类,哺乳类中的一支进一步发展成了人类。正因其与人类密切相关,所以脊索动物的起源也是人们最为关心的问题之一。

 

陈均远等人的这个研究成果将脊索动物的历史起点,从寒武纪中期向前推进了1500万年。这很快在国际上引起了反响和评论。1995年,美国《纽约日报》发表一篇名为《从云南虫到你之路》的报道,认为云南虫的发现打开了探索地球早期生命起源的一扇窗户。同年,美国《科学新闻》周刊也为此发表封面文章,题目就是《通向脊椎骨之路》。脊索动物的起源问题成为学界的研究热点,陈均远也继续寻找更多、更完整的云南虫化石来研究。

 

那时,帽天山化石遗址已被保护起来,很难再挖掘,于是陈均远将眼光投向了几十公里外的海口镇。那里有着与帽天山同时代的沉积岩,极有可能也存在着大量类似的化石。

 

由于此时陈均远已经开始了对贵州瓮安化石群的研究,另一边对云南虫的研究又无法放下,两者都要兼顾的陈均远索性直接将工作基地搬到了野外,在化石挖掘地附近的昆阳磷矿旁租了个房子,一边挖掘化石,一边作研究,工作和生活都在那里。

 

陈均远对彼时刚刚毕业的学生黄迪颖说:“你的任务就是好好找云南虫。”不久后,黄迪颖告诉陈均远,新的云南虫化石找到了。陈均远拿起一看,感觉很惊奇,化石保存非常完美,很像云南虫,但又有明显不同——云南虫的脊索下方有13对生殖腺,而新化石上的生物只有4对,这是一种新的生物类型。

 

于是,陈均远决定,赶紧到黄迪颖挖掘的地方对这种化石进行重点挖掘。短短两个星期内,他们就积累了不少化石,最后达到了300多块,这个新的生物类型被命名为海口虫。

 

脊椎动物远祖的生动“肖像”

 

海口虫化石标本完整得令人兴奋。海口虫化石标本长不过4厘米,用显微镜看,在橙黄色的页岩片上,研究人员能观察到其清晰的身体结构和解剖学细节,它们有着口须、眼睛、鼻孔、带关节的鳃弓、比较宽大的鳃裂、支动脉、贯穿整个身体的脊索、间脑和后脑、嗅球、视神经束、肌肉纤维、简单的消化道、背鳍和尾部构造,这些特征显示,海口虫可能是一种原始的脊椎动物。这个发现表明,早在寒武纪大爆发时期,脊椎动物就已经出现了。

 

由于根本没想到会找到这么早就出现的脊椎动物,陈均远等人在这方面的知识还没有足够的准备。那时,他们驻守在野外,很难查阅文献,也没有现在已经普及的网络,一个传真机已经是他们手里最好的通信装备了。好在陈均远正与台湾清华大学教授李家维合作,李家维当时在台中自然科学博物馆任馆长,那里图书馆的资料很齐全。陈均远联系李家维,请他把有关脊椎动物的最系统的书传真过来。于是,李家维传真了一整本书给陈均远,研究人员则一边查阅资料,一边写作学术论文。

 

论文投给《自然》杂志后,陈均远恰好主持了在云南澄江的一次关于动物起源的国际会议。在会议的开幕典礼上,陈均远特地做了一个海口虫形状的蛋糕。“可见我们那时候对海口虫研究论文的发表已经很有信心,觉得《自然》一定会接收。”果不其然,没多久,这篇论文被《自然》接收了。

 

199912月,《自然》发表了由陈均远、黄迪颖和李家维合作撰写的论文,公布了对海口虫的研究结果。

 

陈均远等人对海口虫的研究成果表明,脊椎动物的演化在5.2亿年前就已拉开序幕。这些保存惊人完好的化石,展现了一幅包括人类在内的脊椎动物远祖的生动“肖像”。这一发现被一些国外科学家誉为“人类重塑地球生命史的一项惊人成就”。

 

新世纪之交的回眸

 

此后,陈均远与美国科学家等合作,对海口虫进行进一步研究。

 

以往,人们认为脊椎动物头化和内骨骼化是同时完成的。但海口虫的大脑结构表明,脊椎动物的演化是以头化为起点,即在脊椎骨出现约1亿年前的寒武纪早期,脊椎动物的祖先就已开始头化,其后才逐步完成内骨化和脊椎骨的演化。

 

现代的脊椎动物无疑都具备脊椎和头颅,科学界也曾认为脊椎骨或头颅是脊椎动物的主要特征,但海口虫有原脊椎构造,却没有复杂头颅。可见,在脊椎动物刚刚出现的原始阶段,脊椎与头颅这样的显著特征并没有最终完成。那么,什么才是最原始脊椎动物的关键特征呢?

 

依据对海口虫的研究,陈均远等人提出了“神经嵴动物”的新概念,将“有无神经嵴”作为区别无脊椎动物与脊椎动物的关键特征。海口虫有鳃弓,陈均远推测其还有内咽肌,这些都是神经嵴细胞的衍生结构。

 

神经嵴是脊椎动物胚胎发育中的一种过渡性结构,是在神经管建成时位于神经管和表皮之间一条纵向的细胞带。脊椎动物之所以与其他动物如此不同,其很多特点都与头有关,其中包括头盖骨和专门化的眼睛及耳朵,而头的形式在很大程度上是由神经嵴细胞决定的。

 

对于“神经嵴动物”的观点也得到了国际学术界的认同。海口虫存在着神经嵴的衍生结构,为其已实现从无脊椎动物向脊椎动物的飞跃再次提供了有力证明。

 

包括人类在内的脊椎动物起源于何时、最早的祖先是什么,向来是科学家关注的课题。人类的身体内蕴藏着许多我们至今未知的奥秘,比如我们体内的脊椎骨,我们是怎样从蠕虫一样的无脊椎动物转眼间就出现了脊椎骨呢?这中间丢失了怎样一个重要的进化环节?因为回答了这些重要问题,对海口虫化石的研究得到了学术界的关注。

 

在海口虫发现稍早之时,西北大学教授舒德干在帽天山也发现了比海口虫更加进步的海口鱼。这些化石都显示出,早在寒武纪时期,脊椎动物的多样性已经显现。“这些研究让人们对寒武纪大爆发有了更深入的认识,那时不仅出现了奇虾、微网虫等怪异的生物,也出现了影响至今的脊椎动物。”陈均远说道。

 

就这样,在人类走向新世纪的当口,由于海口虫等化石标本的出现,我们得以再次回眸,探寻人类祖先最初的踪迹。

 

《中国科学报》 (2017-08-18 5版 文化)

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