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遠(yuǎn)古魚類揭示人類手指的起源之謎

韓白鯉
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泥盆紀(jì)的植被和沼澤

故事始于約3.8億年前的泥盆紀(jì),那是一個(gè)“魚類的時(shí)代”,盾皮魚類主宰了海洋,而肉鰭魚類則在淡水流域橫行霸道。

泥盆紀(jì)晚期氣候溫暖而干燥,蕨類植物和裸子植物在各地形成茂密的森林,種子植物開始出現(xiàn),高達(dá)8.8米的原杉藻遮天蔽日。積洼的沼澤邊不斷有昆蟲出沒,而掉落腐敗的枝葉使得水域含氧量下降,一些魚類開始短暫到岸邊的灘涂活動(dòng)。

也正是在這個(gè)時(shí)期,地球演化史上發(fā)生了一個(gè)重要的事件——水生動(dòng)物的登陸。

水域和陸地是兩種截然不同的生態(tài)環(huán)境,為了登陸必然發(fā)生重大的適應(yīng)性演化。其中一方面就是支撐身體和運(yùn)動(dòng)的四肢成為了重要的器官。

四肢起源的研究在很大程度上依賴于泥盆紀(jì)晚期的幾種魚類,主要包括希望螈目的潘氏魚、提塔利克魚和希望螈等。

Tiktaalik鰭骨架的CT掃描,顯示其背鰭(橘黃色)和腹鰭(青藍(lán)色)

其中提塔利克魚的研究較為豐富,例如2019年12月30日PNAS發(fā)文Fin ray patterns at the fin-to-limb transition探究了鰭進(jìn)化為四肢時(shí)的工作方式和變化方式。但是之前這些研究,均尚未揭示完整胸鰭骨骼的解剖結(jié)構(gòu)。

加拿大米瓜莎(Miguasha)地區(qū)

希望螈(Elpistostege)是生活在泥盆紀(jì)晚期加拿大魁北克淺海至河口棲息地的最大捕食者。2010年,一條1.57米長(zhǎng)完整的希望螈化石在加拿大米瓜莎(Miguasha)地區(qū)被發(fā)現(xiàn),2020年3月18日,Nature發(fā)表對(duì)此化石的研究論文。來自澳大利亞弗林德斯大學(xué)和加拿大魁北克大學(xué)的古生物專家團(tuán)隊(duì),利用CT掃描技術(shù),還原了這條希望螈化石完整的胸鰭骨骼,顯示其存在的肱骨(手臂)、橈骨和尺骨(前臂)、腕骨(手腕)和指骨(手指)。這個(gè)發(fā)現(xiàn)為四足動(dòng)物(包括人類)手指的起源演化提供了新的見解。

基位四足動(dòng)物(Panderichthys、Tiktaalik和Elpistostege)和早期四足動(dòng)物(Tulerpeton)的胸鰭內(nèi)骨骼(a)與肱骨(b)的解剖結(jié)構(gòu)比較。

在上圖的比較中,顯示了魚類到四足動(dòng)物轉(zhuǎn)變過程中,胸鰭附肢一些關(guān)鍵特征的進(jìn)化趨勢(shì),我們可以看到,從左到右,中遠(yuǎn)端橈骨數(shù)量成排地增加。

在希望螈(Elpistostege)胸鰭骨中可以看到兩根明顯的指骨(digits)。

因此,Nature文章指出脊椎動(dòng)物手指的起源,是水生動(dòng)物胸鰭內(nèi)的骨骼演化而來。隨著魚類短暫離開水中,到岸邊的灘涂和陸地活動(dòng),支撐身體的選擇壓力越來越大,鰭中的小骨頭數(shù)量增加,分散平攤支撐的壓力,手指骨逐漸演化出來。

人類手指頭和希望螈鰭骨的對(duì)照

這是首次明確發(fā)現(xiàn)在任何已知的魚類中,鰭中已經(jīng)進(jìn)化出了指骨,而這些指骨與大多數(shù)動(dòng)物的手指骨非常相似。同時(shí),也表明在水生動(dòng)物完全登陸之前,手指的進(jìn)化已經(jīng)在悄然發(fā)生。

或許希望螈(Elpistostege)不一定是我們?nèi)祟惖淖嫦龋幱隰~類和兩棲動(dòng)物之間的過渡階段,為我們展示演化過程最直接的證據(jù)。
Journal reference:Cloutier R, Clement A M, Lee M S Y, et al. Elpistostege and the origin of the vertebrate hand[J]. Nature, 2020: 1-6.

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