这些石化的七鳃鳗幼体推翻了一个古老的进化论

海七鳃鳗曾被认为是早期脊椎动物进化的模型,但新证据表明情况并非如此。
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南非发现的七鳃鳗幼体的插图。Kristen Tietjen

你并非源自水生吸血鬼。这可能直到现在你都没有考虑过,但一个多世纪以来,进化生物学家一直怀疑七鳃鳗——一种无颚、形似鳗鱼、以吸血为生的鱼类——是已知最早的脊椎动物最接近的现存模型。

尽管听起来如此,但这个怀疑并非不合理。七鳃鳗是少数几种存在于脊椎动物和我们无脊椎动物祖先之间的界限上的动物之一。成年七鳃鳗有脊柱,并在水中游弋寻找鱼类,然后它们会附着在鱼身上,用布满牙齿的嘴吸食其血液。但加拿大自然博物馆的脊椎动物古生物学家 Tetsuto Miyashita 说:“它们生命早期阶段完全不同,而且很不寻常。”

幼体七鳃鳗的生活方式如同海葵,生命的前两到七年生活在河床中,用无牙的肌肉喉咙过滤水中的食物。由于与无脊椎动物的相似性,七鳃鳗长期以来一直被视为最早脊椎动物的模型——虽然不是我们确切的祖先,但像是“替身”。

Miyashita 解释道:“这是一种看起来原始的动物,从这样一个所谓的原始状态转变而来。这似乎是早期进化阶段可能发生情况的模拟。这是一个非常方便的说法。”

然而,周三在《自然》杂志上发表的关于古生代七鳃鳗幼体的新化石的研究,颠覆了这种说法。Miyashita 说:“对我来说,这非常清楚,就像我屋顶上挂着的那个早晨的冰柱一样,我们推翻了一个存在 150 年的进化理论。”他是这项研究的首席作者之一。

生物学家此前曾对七鳃鳗作为祖先的理论提出过质疑,但问题在于七鳃鳗稀少的化石记录。为了证伪这个理论,科学家需要证明七鳃鳗最初就像鱼一样,后来才进化出其固着幼体形态。

因此,这项新研究依赖于一系列非凡的化石:刚孵化的七鳃鳗,其中一只非常小,还带着卵黄囊。“我一看就知道它是刚孵化的,有卵黄囊,”Miyashita 说。但它与现代七鳃鳗的底栖幼体完全不同。“它已经有了大眼睛,还有一个带牙齿的口吸盘。它几乎就像一个微型成年体。”

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伊利诺伊州发现的古生代七鳃鳗幼体化石。Tetsuto Miyashita

Miyashita 喜欢用棒球来类比,他说发现这些化石幼体的感觉就像“去棒球场接住了一个 25 年没打过全垒打的球员打出的球。”最小的化石可以放在小指甲上,没有骨骼或牙齿——只是一块印在泥泞泻湖底部里的软组织。

研究人员从该地点收集了更多化石,展示了该物种成长为成年七鳃鳗的过程,以及来自同一时期世界各地的其他幼体标本。Miyashita 说:“这是一种跨越时间和空间的模式,”而不仅仅是证明了一只奇怪的七鳃鳗宝宝。

这意味着幼体阶段不是从远古时期保留下来的,而是“一种全新的进化创新,”他说。

曼尼托巴大学七鳃鳗生物学和遗传学专家 Margaret Docker 称这些发现“非常令人兴奋”。她也认为这些化石“排除了现代七鳃鳗作为最早脊椎动物模型的可能性。”

Docker 之前曾提出过另一种七鳃鳗进化模型,认为其祖先兼具幼体和成体的某些特征。她表示,现在就断定这些化石是否支持或反对该理论还为时过早。尽管如此,她同意总体结论:“当我们试图将现代七鳃鳗视为‘活化石’,认为它们在过去 4 亿到 5 亿年间未发生改变时,我们就会陷入困境。”

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现代太平洋七鳃鳗的幼体。Gregory Kovalchuk

但这些发现提出了两个新问题:为什么七鳃鳗会进化成如此令人费解的生物,以及最早的脊椎动物究竟长什么样?

Miyashita 说,第一个问题的答案似乎与现代七鳃鳗的栖息地有关。所有古代、像鱼一样的七鳃鳗幼体都在咸水环境中发现,从半咸水湖泊到泻湖再到近海河口。而这些是地球上生物生产力最高的生态系统之一——想想密西西比河或湄公河三角洲庞大的虾产业。

Miyashita 说:“这与现代七鳃鳗形成了鲜明对比,”其中大多数生活在淡水河流和湖泊中。“而且所有物种都是在溪流中开始它们的生命周期的。”

论文的资深作者、芝加哥大学脊椎动物古生物学家 Michael Coates 说,与沿海湿地相比,那些河床非常贫瘠。“拥有一个幼体形态可以让你在生命资源上‘两次机会’。这意味着幼体和成体之间有很大的分离。在某种意义上,它们栖息在不同的生态系统中。”当一个生命阶段的食物变得稀缺时,不会消灭整个种群。

尚不清楚七鳃鳗最初为何会离开富饶的沿海水域。Miyashita 和 Coates 都指出,七鳃鳗已经经历了地球上五次主要灭绝事件中的四次,并推测其混合生命周期可能是其韧性的一部分。

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Coates 还指出,有许多“遗留”鱼类仅在河流和溪流中生存下来,主要是在北美。弓鳍鱼、鳄雀鳝和鲟鱼都是曾经庞大的鱼类家族中仅存的最后例子,它们已经从开阔的海洋中被挤压出来,并在内陆找到了避难所。七鳃鳗可能也属于这种模式。

至于最早的脊椎动物,Mayashita 和他的合著者认为,另一类鱼,以其皮肤中的骨质盔甲为特征,更接近原型。与七鳃鳗一样,它们没有下颚,并且似乎也产生了其他无骨脊椎动物。“我们怀疑骨骼的起源很早,”Coates 说。换句话说,并不是七鳃鳗、鲨鱼和其他动物因为缺乏骨骼而显得原始——而是它们在某个时候放弃了骨骼。

如果七鳃鳗的“原始”特征实际上是特化的适应,那么对于其他将七鳃鳗视为基准的研究也具有重要的影响。尤其值得关注的是,七鳃鳗可以再生它们的脊髓,如果人类源自同一根源,这一特性可能会改变生活。

“从基因组学、医学工程到进化生物学,一直存在一个观点,即你可以将七鳃鳗视为原始脊椎动物的一个便捷模型,”Mayashita 说。“现在我们必须停下来好好思考一下。”

 

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Philip Kiefer

特约撰稿人

Philip Kiefer是《Popular Science》的特约撰稿人。他于2021年开始作为自由撰稿人加入科学部门,同年晚些时候正式成为团队一员。他曾报道过COVID变种的演变、食腐蜜蜂以及史前藻类爆发。


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