一個由中英法等國科學(xué)家組成的研究小組利用最先進(jìn)的同步輻射X射線斷層掃描和三維重建技術(shù),，對來自中國4億年前無頜類盔甲魚的腦內(nèi)顱進(jìn)行了三維虛擬重建,。這項研究為脊椎動物頜的起源提供了關(guān)鍵證據(jù)。
8月18日出版的英國《自然》雜志以封面推薦文章的形式報道了這項由中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所研究員蓋志琨,、朱敏和英法等國科學(xué)家合作完成的成果。
據(jù)介紹,，科學(xué)家們通過三維虛擬重建全面復(fù)原了盔甲魚的腦,、神經(jīng)系統(tǒng)、頭部血管系統(tǒng),、鼻垂體系統(tǒng)以及內(nèi)耳等感覺器官,。結(jié)果顯示盔甲魚的鼻垂體系統(tǒng)已經(jīng)分裂，成對鼻囊位于口鼻腔的兩側(cè),，并已經(jīng)完全脫離垂體管,。這一結(jié)果正是分子和發(fā)育生物學(xué)長期以來所推測的在頜的起源之前所發(fā)生的最為關(guān)鍵的一次演化事件，正是這一事件為頜的起源提供了先決條件?？茖W(xué)家為這一來自中國志留紀(jì)的盔甲魚起名為“曙魚”,。
科學(xué)家介紹說，頜的起源是脊椎動物演化中的一個關(guān)鍵事件,，它標(biāo)志著脊椎動物由被動的濾食性生活向主動的捕食性生活方式的一個過渡,。此后有頜脊椎動物演化出包括人類在內(nèi)的有頜脊椎動物的各大類群。但關(guān)于頜的起源長期以來一直是困擾著古生物學(xué)家和發(fā)育生物學(xué)家的一個謎,。
盔甲魚類目前被認(rèn)為是可能解開有頜類起源之謎的一個關(guān)鍵類群,。由于化石材料和研究方法的限制，對于盔甲魚類腦內(nèi)顱的結(jié)構(gòu)人們知之甚少,。該研究小組早在1998年就在浙江北部的志留紀(jì)地層中采獲大量保存完好的盔甲魚腦內(nèi)顱標(biāo)本,。他們借助瑞士光源中心最先進(jìn)的同步輻射X射線斷層掃描技術(shù)，對新采獲的曙魚的腦內(nèi)顱標(biāo)本進(jìn)行了無損探測掃描,。在此基礎(chǔ)上,，研究小組利用最先進(jìn)的三維重建技術(shù)，重繪了2萬多張具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的盔甲魚腦內(nèi)顱的三維切片,。前后歷時5年,，終于完成了對7個盔甲魚腦內(nèi)顱的三維虛擬重建與復(fù)原。
該項目的主要設(shè)計者朱敏說：“目前的研究只是揭開了冰山的一角,。隨著對盔甲魚腦內(nèi)顱的深入研究,，我們將全面討論有頜類其他特征的演化，逐步揭開有頜脊椎動物的起源之謎,，重建早期脊椎動物的演化框架,。”(生物谷 Bioon.com)
doi:10.1038/nature10276
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PMID:
Fossil jawless fish from China foreshadows early jawed vertebrate anatomy
Zhikun Gai; Philip C. J. Donoghue; Min Zhu; Philippe Janvier; Marco Stampanoni
Most living vertebrates are jawed vertebrates (gnathostomes), and the living jawless vertebrates (cyclostomes), hagfishes and lampreys, provide scarce information about the profound reorganization of the vertebrate skull during the evolutionary origin of jaws1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. The extinct bony jawless vertebrates, or ‘ostracoderms’, are regarded as precursors of jawed vertebrates and provide insight into this formative episode in vertebrate evolution8, 9, 10, 11, 12, 13, 14. Here, using synchrotron radiation X-ray tomography15, 16, we describe the cranial anatomy of galeaspids, a 435–370-million-year-old ‘ostracoderm’ group from China and Vietnam17. The paired nasal sacs of galeaspids are located anterolaterally in the braincase, and the hypophyseal duct opens anteriorly towards the oral cavity. These three structures (the paired nasal sacs and the hypophyseal duct) were thus already independent of each other, like in gnathostomes and unlike in cyclostomes and osteostracans (another ‘ostracoderm’ group), and therefore have the condition that current developmental models regard as prerequisites for the development of jaws1, 2, 3. This indicates that the reorganization of vertebrate cranial anatomy was not driven deterministically by the evolutionary origin of jaws but occurred stepwise, ultimately allowing the rostral growth of ectomesenchyme that now characterizes gnathostome head development1, 2, 3.
