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研究首次证明人类的中耳曾经是鱼类用来呼吸的鳃


时间:2022-06-10  来源:  作者:  点击次数:


海洋生命起源已经成为科学界的普遍认知。然而,对于从鱼到人的进化过程,众说纷纭。

近日,中国科学院古脊椎动物与古人类研究所朱敏院士团队与英国皇家科学院院士菲利普C.J多诺霍(Philip C.J. Donoghue)和瑞典皇家科学院院士佩尔e阿尔贝里(Per e . Schmidt)共同发表了脊椎动物喷水孔起源的最新研究成果,首次证明了人类的中耳曾经是鱼类用来呼吸的鳃,并从进化的角度解释了人类的耳朵和嘴巴是如何相互连接的。

在过去的两个世纪里,古生物学对不同种类器官的起源提出了不同的假说。最经典的是,1872年,德国著名解剖学家卡尔格根鲍尔(Carl Gegenbaur)首次从详细解剖的角度(包括鳃弓、脑神经、肌肉等)提出了脊椎动物头部的分段理论。).他认为脊椎动物的领弓和舌弓,就像它们后面常见的鲤鱼弓一样,是一系列同源结构,是头部的一个节段。

基于此,古生物学家自20世纪以来开展了大量的研究,但没有一个发现未退化的鳃裂(咽部两侧一系列成对的裂隙,直接或间接与外界沟通)。低等脊索动物和鱼类的鳃裂是终生存在的,而其他脊椎动物只有胚胎期的鳃裂。明确提到鱼类时“咽鳃裂”的确凿化石证据,它具有气体交换的功能。然而,脊椎动物喷水孔(软骨鱼类和少数低等硬骨鱼眼后具有喷水或吸水功能的孔)的起源,却成为脊椎动物进化史100多年来的未解之谜。

图1现存鱼类气门的分布。

甲鱼是东亚特有的一种无颚鱼。仅见于中国和越南北部,已发现100多年。早在今年3月,朱民院士团队的盖志坤研究员就在中国江西首次发现了最古老、最原始的真甲鱼化石记录。甲胄是硬骨鱼类和有颌脊椎动物的姐妹群(在分支分类学中,两个具有不同祖先的分类群被称为姐妹群)。骨骼鱼类具有高度特化的颅骨解剖和前咽,但缺乏这些特化,因此可以为研究颌进化起源之前脊椎动物头部的进化发育过程提供关键信息。

如何发现古生物化石是一项相对困难的工作,从古生物化石中解读有用信息更是难上加难。完成这些任务不仅需要深入的专业知识,还需要现代精密仪器的支持。

图2浙江漱玉的虚拟内管腔和口鳃腔及其相关的脑神经和血管。

在这项研究中,研究人员首先花了4年时间在野外工作,成功获得只有指甲盖大小的甲鱼化石。然后,他们与国外研究团队合作,利用同步辐射X射线显微成像技术对样本进行三维扫描,花了一年时间对7个标本进行三维重建,完整地再现了甲鱼的所有脑区、感觉器官、头部神经和血管。

在此基础上,研究人员对上述三维建模进行了深入分析,发现甲鱼的鳃间嵴是其鳃弓的背侧部分,并进一步与大脑融合形成了保护性的头套,类似于鱼和龟的肋骨扩张形成的龟甲!再者,进一步从解剖、拓扑、形态等方面分析,甲鱼的舌咽囊是退化的鳃囊,但是否具有正常的呼吸功能,还需要在化石中寻找鳃丝存在的证据!

图3盔瓣类口咽腔的自然铸型

为了填补这一缺失的环节,找到鳃丝确凿的化石证据,研究人员在云南曲靖进行了数年的野外研究。最后,首次采集到第一鳃囊内完整保存有鳃丝痕迹的第一甲鱼化石,进一步证明第一甲鱼鳃囊是具有正常呼吸功能的鳃,而不是退化的气孔,从而为脊椎动物气孔起源提供了最确切的解剖学和化石证据。

图4鱼类气门囊向四足动物中耳腔的过渡。

在现代软骨鱼中,喷水孔主要用于呼吸以获得氧气。然而,在进化过程中,99%以上的硬骨鱼的气孔已经退化和消失。基于此,研究人员绘制了一个从鱼到陆地的完整喷水孔。

物的进化历程。

本研究有力证明了喷水孔在史前早期硬骨鱼中曾广泛存在,并可以用来呼吸,这很可能为鱼类离开水域进入陆地提供了先决条件。而此后,内鼻孔的出现更是打通了鼻腔与空腔,使得鼻腔成为新的呼吸器官,并为肺发育成为呼吸器官奠定了基础。而在此过程中,曾经的喷水孔也被利用逐步发育为我们的中耳腔(鼓膜室),曾经鱼类的舌颌骨及与其关节的方骨和关节骨也逐渐退化变小,最终进入到我们的中耳,演化为我们中耳的三块听小骨,并被重新命名为镫骨、锤骨和砧骨,负责将声音传递给大脑,我们人类拥有了灵敏的听觉。

Fig.5 The evolution of spiracular region from jawless fishes to tetrapods

大自然的鬼斧神工最终使得鱼类用以呼吸的喷水孔成为我们倾听世界的中耳。如今,我们仍然可以从连通的耳朵和口腔中感受到来自于进化的力量和美妙。

参考文献:

Gai, Zhikun, et al. “The evolution of the spiracular region from jawless fishes to tetrapods.” Frontiers in Ecology and Evolution (2022).

来自: 生物谷


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