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曲靖宽甲鱼新材料证明:人类的中耳曾经是鱼类的鳃

2022年06月06日 10:40:42 来源:曲靖日报

张雨萌 盖志琨

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云南曲靖宽甲鱼新材料复原图。杨定华绘
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云南曲靖宽甲鱼新材料在第一鳃囊内保存了鳃丝结构。 盖志琨 摄
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鱼类喷水孔向人类中耳演化的四个阶段 A1、A2.真掌鳍鱼及其喷水孔切面;B.棘螈;C1、C2.鱼石螈及其中耳切面; D1、D2.爬行动物及其中耳切面;E1、E2.哺乳动物及其中耳切面。 史爱娟绘
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喷水孔在现生鱼类中的分布状态 A.现生无颌类——七鳃鳗; B.现生软骨鱼类——鲨鱼;C、D. 现生软骨鱼类——鳐;E、F.原始辐鳍鱼类——多鳍鱼科芦鳗;G、H.肉鳍鱼类——拉蒂迈鱼。 盖志琨、孔明智、侯叶茂、林翔鸿、史爱娟等供图


宽甲鱼待定种 Laxaspis sp.

■分类位置:盔甲鱼亚纲—多鳃鱼目—多鳃鱼科

■化石产地:云南曲靖面店水库

■层位与时代:西山村组,早泥盆世洛赫考夫期(约4.19亿年前)

近日,国际学术期刊《生态和演化前沿》发表中国、瑞典、英国三国科学家的最新研究成果,首次通过化石证据证明人类的中耳由鱼鳃演变而来。而这个证据就是一块来自云南曲靖的宽甲鱼新材料,它形成于4.19亿年前早泥盆世。

人类中耳包鼓膜室、传导声音的三块听小骨和通向口腔的咽鼓管等,是人类拥有灵敏听觉的关键构件。鱼类的喷水孔是位于眼睛之后,颌弓和舌弓之间一个只含有假鳃的不完整鳃裂,是鱼类非常重要的呼吸器官。在软骨鱼类中,喷水孔主要用来吸入水流,以适应水底的生活。而在原始的硬骨鱼类中,喷水孔主要用来呼吸空气,它是研究早期肉鳍鱼类如何登上陆地呼吸空气、适应陆地生活的重要参照物。早前,已经有充分的胚胎和化石证据证明我们的中耳是从鱼类的喷水孔演化而来,而鱼类的喷水孔又是从何而来,则是一个困扰学术界近百年的难题。

1822年,法国解剖学家圣西兰在他的著作《解剖哲学》中, 提出了不同门类脊椎动物相似器官很可能演化自同一原型,比如鳃弓是颌弓和舌弓的原型,鱼类的偶鳍是四足动物四肢的原型,前肢又是鸟类翅膀的原型。这可能是科学史上对鱼类喷水孔起源的最早的科学猜想。1872年,德国著名解剖学家卡尔·根格包尔第一个从详细的解剖学(包括鳃弓、脑神经、肌肉等)角度,提出了脊椎动物头部的分节理论,认为脊椎动物的颌弓和舌弓跟后面普通的鳃弓一样,是系列同源构造,都是头部的分节之一。

1937年,英国古生物学家沃特森进一步提出了 “自由舌弓理论”。该理论认为,有颌类中支撑颌弓的舌弓最初并不与颌弓相关节 ,而是一个普通的鳃弓, 因此在颌弓和舌弓之间应该具有一个完整的,尚未退化的鳃裂,而非喷水孔,从而代表了早期有颌类的一个原始状态。这一观点激发了二十世纪古生物学家在早期有颌类的颌弓和舌弓之间寻找未退化鳃裂的热潮。然而不幸的是,经过近百年的寻找,各国古生物学家仔细查验了现生无颌类和早期有颌类中所有盾皮鱼类、棘鱼类、软骨鱼类和硬骨鱼类的化石,都没有找到确切的化石证据。

此次研究团队首先通过对发现于浙江长兴4.38亿年前曙鱼脑颅的三维虚拟复原模型,确认了盔甲鱼类的第一鳃囊是跟其他鱼类喷水孔同源的舌颌囊。这个鳃囊从形态上判断跟后面的5个鳃囊并无二致,而且开口于头甲腹面,并不像喷水孔那样开口于头甲背面,因此基本判定了盔甲鱼的第一个鳃囊可能是一个未退化的鳃。但要想证明它是一个具有正常呼吸功能的器官,还缺少整个证据链条中的最后一环,即找到在该鳃囊中存在鳃丝的化石证据。

云南曲靖素有“古鱼王国”和“4亿年前人类远祖发源地”之称,是世界上著名的早泥盆世脊椎动物化石宝库之一。 2017年,曲靖车马碧水库引水隧道工程施工,在挖掘出来堆放在面店水库边的深灰色粉砂岩中,研究团队找到了大量保存精美的盔甲鱼化石材料。通过研究,研究团队在一块宽甲鱼第一鳃囊化石中发现了保存完整的鳃丝印痕,这进一步证明了盔甲鱼的第一鳃囊是具有正常呼吸功能的器官,能够通过鳃丝进行氧气交换,这为脊椎动物喷水孔的起源提供了最为确切的解剖证据和化石证据。

化石记录表明喷水孔在早期硬骨鱼类曾经广泛存在。 喷水孔存在在硬骨鱼类中,最古老的化石证据是曲靖志留纪潇湘动物群的梦幻鬼鱼,距今有4.25亿年。研究显示,在梦幻鬼鱼头甲背面保存了一对喷水孔,这意味着早期硬骨鱼类有能力像现生的多鳍鱼一样利用喷水孔来呼吸空气,作为一种新的呼吸方式,这很可能是鱼类离开水域,登上陆地呼吸空气的一种预适应特征,从而为鱼类登上陆地呼吸空气提供了先决条件。随着内鼻孔在肉鳍鱼类中形成(如肯氏鱼),成功打通了鼻腔与口腔的通道,鼻孔成了主要的呼吸器官,从而为鱼类登上陆地用肺呼吸奠定了基础。而登上陆地的四足动物,面临着一个全新的环境,不得不发展新的感官,以便在空气中更好地生存。 这样,已经失去呼吸功能的喷水孔,又被废物利用,逐渐演化成人类的中耳腔——鼓膜室,而舌颌骨及与其关节的方骨和关节骨也逐渐退化变小,最终演化为人类中耳的3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,人类最终拥有了灵敏的听觉。

如果不是这些史前鱼类通过头顶喷水孔呼吸空气的大胆试验,人类可能永远不会演化出敏锐的听觉。新发现解释了人类的耳朵虽然没有呼吸功能,但它依然跟人类的口腔相通,因为它曾经是鱼类的呼吸器官, 而连通它们的正是从喷水孔通向口腔的呼吸通道,我们今天称之为咽鼓管,如今咽鼓管就像人类的盲肠一样,貌似已经没有什么功能了,但它可以作为从鱼到人演化的一个证据。



[ 编辑: 冯雪妮 ]
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