科学家揭示云南虫为最原始脊椎动物

地球生命经过亿万年演化，有太多奥秘等着被探寻。人们始终好奇，我们从哪里来？祖先究竟是谁？“云南虫可以说是人类的始祖。”中国科学院南京地质古生物研究所（以下简称“南古所”）朱茂炎研究员说，“它是脊椎动物的最原始类群。”uu5新江南网 | 江南第一门户网站

近日，我国科学家研究发现，5.18亿年前的寒武纪澄江动物群产出的云南虫，其咽弓具有脊椎动物独有的细胞软骨结构，确认了云南虫是脊椎动物的最原始类群。此研究由朱茂炎研究员领导的“地球-生命系统早期演化”研究团队和南京大学地球科学与工程学院姜宝玉教授课题组合作完成，并于 2022年7月8日发表在美国《科学》（Science）期刊上。uu5新江南网 | 江南第一门户网站

云南虫分类位置存疑？学界掀起大讨论uu5新江南网 | 江南第一门户网站

在生命演化历程中，人类所属谱系——脊椎动物的演化是最为壮丽的篇章之一，其中最吸引人的始终是有关脊椎动物起源的问题。uu5新江南网 | 江南第一门户网站

文昌鱼是一种味美的水产品，同时也是无脊椎动物进化至脊椎动物的过渡类型——它尚未形成骨质的骨骼，以纵贯全身的脊索支持行动。“我们可以把脊索理解为和‘筋’类似的组织。”南古所研究员赵方臣介绍说，演化生物学家通常根据文昌鱼的特征，推测脊椎动物的祖先是一类具有脊索、背神经管和鳃裂的后口动物。然而，这一假想的脊椎动物祖先始终没有得到化石证据的支撑。uu5新江南网 | 江南第一门户网站

此前，科学家们在距今5.18亿年的中国云南澄江动物群发现了基干脊椎动物昆明鱼和云南虫等多种脊索动物，它们是迄今为止世界上最古老的脊索动物。不同于昆明鱼具有典型脊椎动物特征，云南虫形态更接近头索动物文昌鱼，它的分类位置一直存在争议。uu5新江南网 | 江南第一门户网站

1995年，南古所研究员陈均远等人将云南虫作为最早的脊索动物在《自然》杂志上发表。之后，他们在昆明海口地区又发现了大量云南虫新标本。通过更加精细的解剖，研究人员将云南虫归为原始有头类，认为其演化位置介于头索动物文昌鱼和脊椎动物七鳃鳗之间。这一成果于1999年在《自然》杂志发表，学界掀起了有关云南虫分类位置的大讨论。uu5新江南网 | 江南第一门户网站

由于不同学者对云南虫保存各异的软体组织细节有各自见解，云南虫自1991年首次报道以来，被分别归类于脊椎动物、头索动物、半索动物、后口动物干群甚至原始的两侧对称动物，分类位置一直未能确定。uu5新江南网 | 江南第一门户网站

实验技术、算法证实云南虫分类uu5新江南网 | 江南第一门户网站

针对云南虫分类位置之谜，常规的形态学研究无法达成共识。“我们利用了三维X射线断层扫描显微镜、扫描电镜和透射电镜等多种现代实验技术手段，希望能够从微观解剖学结构角度破解这一谜题。”赵方臣介绍，以往研究提出过云南虫鳃弓可能具有细胞软骨，而团队在云南虫咽弓上发现了叠盘状细胞结构和蛋白微原纤维构造。“这两个特征都是脊椎动物的软骨细胞才有的。云南虫具有脊椎动物独有的、由细胞软骨构成的咽弓，这表明云南虫属于原始脊椎动物。”uu5新江南网 | 江南第一门户网站

除了实验技术手段，研究团队还整合了最新的生物性状矩阵，采用贝叶斯算法进行重建计算。分析证实，云南虫处于脊椎动物谱系的最基干，它是最原始的脊椎动物，介于尾索动物和其他脊椎动物之间。uu5新江南网 | 江南第一门户网站

云南虫共有7对咽弓。“我们在新标本上相当于第一对咽弓的位置发现了与后部其他鳃弓一样的叠盘状细胞结构、鳃丝和蛋白微原纤维等构造。”赵方臣说，这表明云南虫拥有从前到后彼此相似、都具有细胞软骨的7对咽弓。而另一种寒武纪基干脊椎动物后斯普里格鱼也拥有彼此相似的咽弓，这证实了解剖学家们在19世纪提出的脊椎动物咽弓同源理论假说——也就是说，随着演化，脊椎动物不同位置的咽弓会发育成形态不同的骨骼，但在演化初期，不同位置的咽弓彼此相似。uu5新江南网 | 江南第一门户网站

古老“近亲”揭示脊椎动物起源演化uu5新江南网 | 江南第一门户网站

咽颅是脊椎动物头部消化道周围一组起到支撑和保护作用的骨片，现生脊椎动物的咽颅由咽弓骨骼构成。“我们研究发现，云南虫的7对咽弓组成了一个类似于篮状的咽颅。”赵方臣表示，现生无颌类脊椎动物和化石无颌类真显鱼拥有篮状咽颅，而有颌类脊椎动物和寒武纪后斯普里格鱼的咽颅一样，由一系列彼此分离的软骨棒组成，此前这种咽颅特征引起了关于脊椎动物祖先咽颅形态的争议。“但现在证实了云南虫出现更早、位于脊椎动物的最基干位置，这也说明篮状咽颅是更古老的祖先特征。”赵方臣补充。uu5新江南网 | 江南第一门户网站

作为现生脊椎动物最古老的“近亲”，云南虫为揭示脊椎动物的起源和早期演化提供了关键证据，对脊椎动物颌和其他关键特征演化的探索均将产生深远的影响。从另外一个角度来看，该项研究再一次展示了澄江动物群化石具有保存微纳尺度精细生物学结构的潜力。uu5新江南网 | 江南第一门户网站

《科学》期刊文章评审人评价道：“这是对科学的重大贡献，将成为古脊椎动物学的一篇关键论文，展示了人们期待已久的、最可信的解剖结构化石证据，解决了寒武纪干群脊椎动物争议问题。他们所展示的信息是一个里程碑，在未来的许多年里，即使更高分辨率的研究也难以超越。”评审人还肯定，“分析这些化石解剖结构的分辨率达到了最先进技术的极限，这是一项里程碑式的工作。”uu5新江南网 | 江南第一门户网站