《当代生物学》：4亿年前“鸭嘴兽古鱼”的新知提出有颌脊椎动物早期演化新框架

“鸭嘴兽古鱼”Brindabellaspis（前景中央）和其他史前鱼类复原图（杨洪宇、年前郑秋旸绘）。鸭嘴鱼的有颌演化画面右上方的提出大白鲨和人类潜水员为现代有颌脊椎动物的代表。

Brindabellaspis化石标本的学亿新知新框CT重建，显示其颅顶甲、年前脑颅、鸭嘴鱼的有颌演化脑腔和内耳骨迷路结构。提出 

早期脊椎动物内耳及内淋巴系统的演化。 
（神秘的地球uux.cn报道）据中国科学院古脊椎动物与古人类研究所：北京时间2021年1月28日凌晨0时，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所朱幼安、卢静、朱敏带领由中国、澳大利亚、英国和瑞典学者组成的研究团队，在《当代生物学》（Current Biology）杂志上发表了他们对4亿年前的澳大利亚盾皮鱼类脑腔、内耳和内淋巴系统精细解剖结构的最新研究成果及其对有颌脊椎动物早期演化框架的冲击。 
大多数脊椎动物，包括人类自身均属于有颌类。现代有颌类包括软骨鱼类、硬骨鱼类及后者登上陆地的后裔。而从颌的起源到现代有颌类最近共同祖先出现之间的系统演化空间，为一群被统称为“盾皮鱼类”的早期有颌鱼类所填充，现代有颌类共同的身体蓝图及许多重要器官特征的起源，就需要到这中间去寻找。 
布林达贝拉鱼（Brindabellaspis stensioi）是一种中等体型的盾皮鱼类，显著特征为有一长而扁的吻部，生活在4亿年前澳大利亚东部的陆表浅海礁区，被戏称为“鸭嘴兽古鱼”。早在1980年，澳大利亚著名古鱼类学者加文·杨（Gavin C. Young）就发表了布林达贝拉鱼脑颅解剖学结构的详尽专论。保存精美的脑颅和脑腔展示了一些非常原始的特征，暗示着布林达贝拉鱼的系统位置很可能接近整个有颌类起源的节点。但限于当时技术手段的限制，只能通过经酸蚀法清修的化石标本的破损部位，一窥脑颅内部腔体构造，其内耳半规管和内淋巴系统的细节无法确切得知。 
朱幼安等人应用高精度CT扫描数据，对在澳大利亚发现的两件新的、没有进行彻底酸蚀法清修的布林达贝拉鱼头部标本进行扫描和详细研究后发现，正是在过去不可知的区域内，隐藏着十分重要的信息。布林达贝拉鱼内耳的上部(pars superior，即半规管)和下部（pars inferior，即前庭，包括椭圆囊和球囊）界限分明，前后半规管以发达的总脚（crus commue）和椭圆囊上腔（sinus superior）相连，这与之前所知的其他盾皮鱼类内耳十分不同，而与现代有颌类相似。事实上，这一系列特征可以在包括人类在内的大部分现代有颌类中找到。 
内淋巴液是充盈在内耳膜迷路中的液体。包括人类在内的陆地脊椎动物以及大部分硬骨鱼类都有封闭的内淋巴系统，人耳的内淋巴液压力失衡会导致令患者极为痛苦，且几乎无法治愈的美尼尔氏病（Ménière's disease）。与此不同，许多早期鱼类有开放的内淋巴系统，内淋巴液与外界水体相通。多数盾皮鱼类和无颌的甲胄鱼类内耳均由一根简单的内淋巴管直通外界，而现代有颌类则发育有膨大的内淋巴囊。研究发现，布林达贝拉鱼拥有发达的内淋巴囊，该内淋巴囊向内通过一垂直小管与内耳前庭相连，向外又由穿透颅顶的内淋巴管与外界相通， 这与现代有颌类，特别是与软骨鱼类模式基本一致，进一步支持了布林达贝拉鱼与现代有颌类较近的关系。 
对最早期有颌类演化关系的争论由来已久。传统观点认为盾皮鱼类形成一个自然类群，近年来，许多学者认为盾皮鱼类只是许多最早期有颌类的集合，代表了从无颌的甲胄鱼演化到硬骨鱼软骨鱼之间一系列的中间状态。论文除了上述对内耳的研究外，还通过CT扫描数据重新订正了布林达贝拉鱼颅顶甲骨片的型式，并认为一些过去归为布林达贝拉鱼自有的特化性状，如向前分开的嗅束等，实际上可以与现代有颌类比较。 
根据这些新加入的数据，论文详细厘定了有颌类特征矩阵，对其进行的分析结果发现，基于最简约假设的系统演化树与之前假说有较大区别。在新提出的假说中，盾皮鱼类确实不能构成一个单系或自然类群，不过，有颌类可能很早就分开形成两个大的支系，其中一个单系类群包括了我们所知的大部分盾皮鱼类，另一个支系包括了现代有颌类和与它们关系较近但仍为盾皮鱼类形态的属种。布林达贝拉鱼位于这些向现代有颌类演化的盾皮鱼的根部。而一些形态和生活方式接近硬骨鱼类和软骨鱼类的盾皮鱼类，如著名的泥盆纪超级掠食者邓氏鱼所属的节甲类，与现代有颌类的相似性主要是趋同演化而来，而不是因为它们具有较近的亲缘关系。 
布林达贝拉鱼的研究展现了对过去经典标本的重新认识对现有早期脊椎动物演化框架的冲击。近期，在中国发现了大量保存完好的志留纪有颌鱼类，它们已经非常接近颌起源的时间和系统演化节点。对它们的深入研究将提供全新的资料，有望在颌的起源、有颌类早期演化框架等一系列重大科学问题上取得空前的突破。 
本研究受到国家自然科学基金优秀青年基金、面上项目和中科院先导战略专项等项目支持。 
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.12.046
相关报道：最新研究：4亿年前“鸭嘴兽古鱼”是现代有颌类“亲戚”
（神秘的地球uux.cn报道）据中新网北京1月28日电（记者 孙自法）：4亿年前的“鸭嘴兽古鱼”，与包括人类在内的现代有颌类动物有关系吗？中外科学家最新一项合作研究发现并提出有颌脊椎动物早期演化新框架，认为它们之间是生物进化史上较近的“亲戚”。
中国科学院古脊椎动物与古人类研究所(中科院古脊椎所)朱幼安、卢静、朱敏领导的由中国、澳大利亚、英国和瑞典等学者组成的国际合作研究团队，通过对4亿年前的“鸭嘴兽古鱼”化石标本深入研究并获得重要进展，其成果论文北京时间28日在国际专业学术期刊《当代生物学》上发表。
现代有颌类的“前世今生” 
论文第一作者朱幼安介绍说，大多数脊椎动物，包括人类自身均属于有颌类，即有颌的脊椎动物。现代有颌类包括软骨鱼类、硬骨鱼类及后者登上陆地的后裔。而从颌的起源到现代有颌类最近共同祖先出现之间的系统演化空间，为一群被统称为“盾皮鱼类”的早期有颌鱼类所填充，现代有颌类共同的身体蓝图及许多重要器官特征的起源，就需要到这中间去寻找。
被戏称为“鸭嘴兽古鱼”的布林达贝拉鱼(Brindabellaspis)，就是一种中等体型的盾皮鱼类，其显著特征为有一长而扁的吻部，生活在4亿年前澳大利亚东部的陆表浅海礁区。
早在1980年，澳大利亚古鱼类学者就已发表布林达贝拉鱼脑颅解剖学结构的详尽专论，认为其保存精美的脑颅和脑腔展示出一些与无颌类相似的特征，暗示布林达贝拉鱼是一种很原始的古鱼类。不过，受限于当时技术手段，科学家只能通过化石标本的破损部位推测脑颅内部腔体构造，其内耳半规管和内淋巴系统等细节无法确切得知。
研究发现现代有颌类远古“亲戚” 
最新的国际合作研究中，朱幼安等应用高精度CT扫描数据，对在澳大利亚发现的两件新的布林达贝拉鱼头部标本进行扫描和详细研究后发现，正是在过去不可知的区域内，隐藏着十分重要的信息——布林达贝拉鱼内耳的上部(即半规管)和下部(即前庭，包括椭圆囊和球囊)界限分明，前后半规管以发达的总脚和椭圆囊上腔相连，这与之前所知的其他盾皮鱼类内耳十分不同，而与现代有颌类相似。事实上，这一系列特征可以在包括人类在内的大部分现代有颌类中找到。
内淋巴液是充盈在内耳膜迷路中的液体。包括人类在内的陆地脊椎动物以及大部分硬骨鱼类都有封闭的内淋巴系统。与此不同，许多早期鱼类有开放的内淋巴系统，内淋巴液与外界水体相通。多数盾皮鱼类和无颌的甲胄鱼类内耳均由一根简单的内淋巴管直通外界，而现代有颌类则发育有膨大的内淋巴囊。
研究发现，布林达贝拉鱼拥有发达的内淋巴囊，该内淋巴囊向内通过一垂直小管与内耳前庭相连，向外又由穿透颅顶的内淋巴管与外界相通，这与现代有颌类，特别是与软骨鱼类模式基本一致，进一步支持了布林达贝拉鱼与现代有颌类较近的关系。
详细厘定有颌类特征矩阵提出新假说 
论文通讯作者卢静指出，对最早期有颌类演化关系的争论由来已久。传统观点认为盾皮鱼类形成一个自然类群，近年来，许多学者认为盾皮鱼类只是许多最早期有颌类的集合，代表了从无颌的甲胄鱼演化到硬骨鱼软骨鱼之间一系列的中间状态。
她说，合作团队除对布林达贝拉鱼内耳进行研究外，还通过CT扫描数据重新订正布林达贝拉鱼颅顶甲骨片的型式，并认为一些过去归为布林达贝拉鱼自有的特化性状，如向前分开的嗅束等，实际上可以与现代有颌类比较。
根据这些新加入的数据，合作团队详细厘定有颌类特征矩阵，对其进行的分析结果发现，基于最简约假设的系统演化树与之前假说有较大区别。在新提出的假说中，盾皮鱼类确实不能构成一个单系或自然类群，不过，有颌类可能很早就分开形成两个大的支系，其中一个单系类群包括目前所知的大部分盾皮鱼类，另一个支系包括现代有颌类和与它们关系较近但仍为盾皮鱼类形态的属种。
新研究指出布林达贝拉鱼位于向现代有颌类演化的盾皮鱼的根部，而一些形态和生活方式接近硬骨鱼类和软骨鱼类的盾皮鱼类，如著名的泥盆纪超级掠食者邓氏鱼所属的节甲类，与现代有颌类的相似性主要是趋同演化而来，而不是因为它们具有较近的亲缘关系。
卢静表示，布林达贝拉鱼的最新研究展现出对过去经典标本的重新认识和对现有早期脊椎动物演化框架的冲击。近期，在中国发现了大量保存完好的志留纪(距今约4.4亿至4.19亿年)有颌鱼类，它们已经非常接近颌起源的时间和系统演化节点，后续的深入研究将提供全新资料，有望在颌的起源、有颌类早期演化框架等一系列重大科学问题上取得重要突破。