鱼鳍是怎么进化成四肢的?3.75亿年前的鱼类化石揭开了答案!

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发布时间: 20-04-0611:31新华网官方帐号

对大约3.75亿年前泥盆纪晚期鱼类化石的研究,详细描述了鳍开始转变为适合在陆地上行走的四肢进化过程。芝加哥大学古生物学家的这项新研究发表在《美国国家科学院院刊》上,该研究使用CT扫描来检查仍被围困在围岩中的鳍射线形状和结构。这些成像工具能让研究人员首次在化石记录中构建鱼足类Tiktaalik及其近亲整个鳍的数字三维模型。然后,可以使用这些模型来推断鳍在进化为四肢的过程中是如何工作和变化的。

在这个关键的过渡阶段,对鳍的大部分研究都集中在与我们上臂、前臂、手腕和手指对应巨大、独特的骨骼和软骨片段上。研究人员追踪了被称为“内骨骼”的这些骨骼是如何变化成四足动物(即四足动物)中可识别的手臂、腿和手指。鱼鳍上纤细的射线和刺形成了第二个同样重要的“真皮”骨架,它也在这一时期经历了进化变化。这些碎片经常被忽视,因为当动物变成化石时,它们可能会碎裂,或者是因为化石制备者故意将它们移走,以露出内骨骼的较大骨骼。

真皮射线形成了许多鱼鳍的大部分表面积,但在最早有四肢的生物中完全消失了。领导这项新研究的博士后研究员托马斯·斯图尔特(Thomas Stewart)博士说:我们试图在所有其他变化发生和成熟肢体进化之前,了解真皮骨骼的总体趋势和进化。如果你想了解在这段历史中,动物是如何进化到使用鳍的,这将是一个重要的数据集。

3D模拟中古老的鳍

斯图尔特和同事们研究了三种具有四足动物原始特征的晚泥盆世鱼类:蜥蜴(Sauripterus Taylori)、真龙(Eusthenopteron Foordi)和蒂塔里克玫瑰(Tiktaalik Roseae),这是由这项新研究的资深作者、芝加哥大学古生物学家尼尔·舒宾(Neil Shubin)博士领导团队发现的。蜥蜴和Eusthenopteron被认为是完全水生的,并使用它们的胸鳍游泳,尽管它们可能已经能够在湖泊和溪流的底部支撑自己。Tiktaalik可能已经能够用它的鳍支撑它的大部分重量。

甚至可能用它们冒险走出水面,进行穿越浅滩和泥滩的短途旅行。通过观察Tiktaalik的整个鳍,可以更清楚地了解它是如何支撑自己和移动。鳍有一种可以平放在河流和溪流泥泞底部上的手掌。斯图尔特和舒宾与本科生Ihna Yoo和博士Justin Lemberg(舒宾实验室的另一名研究人员)合作,在这些化石还被包裹在岩石中时扫描了它们的样本。然后使用成像软件重建三维模型,这样他们就可以移动、旋转和可视化真皮骨骼,就像它是从周围材料中完全提取出来的一样。

模型显示,这些动物的鳍射线被简化了,鳍网的整体尺寸比前身要小。令人惊讶的是,还看到鳍的顶部和底部变得不对称。鳍射线实际上是由成对的骨骼形成。例如在Eusthenopteron,背鳍或顶鳍比腹鳍或底鳍稍大和长。Tiktaalik的背射线比腹射线大好几倍,这表明鳍下侧有伸展的肌肉,就像手掌的肉质底部,以帮助支撑它的体重。这提供了进一步的信息,让我们能够了解像Tiktaalik这样的动物在这种转变中是如何使用鳍的。

动物从自由自在地游泳,用鳍控制周围的水流,到适应在水底推开水面。斯图尔特和同事们还比较了鲟鱼和肺鱼等活鱼的真皮骨骼,以了解在化石中看到的模式。在鳍的顶部和底部发现了一些相同的不对称差异,这表明这些变化在鱼类进化中发挥了更大的作用。这给了研究人员更多的信心,另一组数据表明,这些模式对鱼类来说是真实、广泛和重要的,不仅仅是在化石记录中,因为它与鳍到肢的转变有关,而且在更广泛的范围内,鳍的功能也是如此。

博科园|研究/来自:芝加哥大学医学中心

参考期刊《美国国家科学院院刊》

DOI: 10.1073/pnas.1915983117

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