節(jié)肢動物是顯生宙以來地球上物種多樣性最高的動物門類。自寒武紀以來，它們就活躍在這個星球上，大附肢類真節(jié)肢動物是其中一個重要的門類。但一直以來，大附肢類真節(jié)肢動物如何演化以及與現(xiàn)生遠親之間的關(guān)系，還存在諸多未知。

近日，云南大學(xué)古生物研究院云南省古生物研究重點實驗室劉煜、侯先光、翟大有等研究員與哈佛大學(xué)副教授哈維爾·奧爾特加-埃爾南德斯等人組成的研究團隊于《當(dāng)代生物學(xué)》在線發(fā)表合作的論文《寒武紀大附肢類真節(jié)肢動物中不完全發(fā)育的口板》，為揭示寒武紀澄江節(jié)肢動物腿肢構(gòu)造的發(fā)育生物學(xué)研究打開了新的窗口。

澄江生物群化石蘊含節(jié)肢動物演化史

在漫長的地球歷史時期，由于各種原因，大多數(shù)曾經(jīng)在地球上生活過的節(jié)肢動物物種已紛紛滅絕，幸存者則逐漸演化為今天的蜘蛛、蝎子等螯肢動物，蜈蚣、馬陸等多足動物，以及蝦、蟹、昆蟲等泛甲殼動物。

在云南昆明附近，古生物學(xué)者為之癡迷的寒武紀澄江生物群地層中，保存了大量呈特異埋藏的化石標本。這些看似普通的“石頭”，記錄了距今5.18億年前的寒武紀大爆發(fā)時期，節(jié)肢動物等諸多后生動物門類曾有過的繁盛景象。

1984年7月，侯先光研究員發(fā)現(xiàn)，這些層層疊疊的古老化石，為揭示5億多年前的寒武紀大爆發(fā)提供了極其珍貴的證據(jù)。已入選“世界自然遺產(chǎn)”的澄江生物群，被譽為“二十世紀最驚人的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一”，為早期生命科學(xué)研究開辟了一個重要的創(chuàng)新領(lǐng)域。

多年來，研究者們對澄江化石的形態(tài)學(xué)觀察，主要局限于使用光學(xué)顯微鏡等傳統(tǒng)成像技術(shù)對化石表面上所保存的二維結(jié)構(gòu)的觀察上，而保存在化石標本內(nèi)部的動物身體結(jié)構(gòu)信息，只能通過耗時且具破壞性的鋼針修理等方法進行研究。

正因為如此，研究者對早期節(jié)肢動物身體許多重要的精細結(jié)構(gòu)，如口板是否真正存在這一科學(xué)問題，只能通過分支分析等方法進行推測。即便推測準確，研究者們也無法對這類精細結(jié)構(gòu)的真實形態(tài)進行展示。

迷人林喬利蟲幼蟲的口板可能發(fā)育不完全

在繼2016年于國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊美國《國家科學(xué)院院報》發(fā)文報道2毫米長迷人林喬利蟲幼蟲后，中美研究團隊把目光投向了新的手段——顯微CT技術(shù)，大大突破了以往僅能對動物個體發(fā)育過程中背甲結(jié)構(gòu)的大小及形態(tài)變化進行觀察的局限。

為實現(xiàn)對化石進行無損且任意角度的高精度復(fù)原與觀察，他們在高精度顯微CT的幫助下，通過計算機三維軟件“魔幻之手”對澄江節(jié)肢動物身體的精細結(jié)構(gòu)進行模型虛擬解剖，分離出身體的各部分結(jié)構(gòu)。研究團隊首次清晰地揭示了寒武紀大附肢類節(jié)肢動物——迷人林喬利蟲頭部保存的口板等精細結(jié)構(gòu)。此項研究的對象，是該物種的兩枚呈三維立體保存的幼蟲化石，體長僅為5毫米和7毫米。

研究發(fā)現(xiàn)，迷人林喬利蟲在體長僅為5毫米的幼蟲期，眼睛后長有一個明顯的口板，口板表面還長有一對小突起。通過使用開源計算機三維復(fù)原軟件，研究人員對一枚體長僅為7毫米的迷人林喬利蟲幼蟲化石的大附肢進行擦除后發(fā)現(xiàn)，其口板在頭部所占的比例有所減小，說明口板結(jié)構(gòu)在該物種的個體發(fā)育進程中，有可能存在不完全發(fā)育的現(xiàn)象。“以往使用傳統(tǒng)的手段，是無法觀察和研究這一細微結(jié)構(gòu)的。”劉煜說。

此外，它們還對動物頭部進行了縱向數(shù)碼切割，發(fā)現(xiàn)了該口板結(jié)構(gòu)下往體內(nèi)延伸的狹窄咽部通道，這與在該物種的成蟲標本上觀察到的情況一致。

隨后，他們將化石數(shù)據(jù)與現(xiàn)生節(jié)肢動物胚胎發(fā)育數(shù)據(jù)進行了對比研究，發(fā)現(xiàn)迷人林喬利蟲作為螯肢類節(jié)肢動物在寒武紀時期的代表，已經(jīng)進化出明顯的、與現(xiàn)生的蜘蛛、蝎子等節(jié)肢動物口板同源的結(jié)構(gòu)。

而現(xiàn)生節(jié)肢動物中普遍存在的這一位于口前的突起的口板構(gòu)造，在5.18億年前的干群螯肢動物中就已出現(xiàn)。這一分析結(jié)果，為古生物學(xué)界、進化生物學(xué)界認識長久以來深受困擾的節(jié)肢動物頭部問題提供了直接的化石證據(jù)。

研究人員還討論了寒武紀“明星”奇蝦等射齒類動物身體結(jié)構(gòu)中，可能存在與真節(jié)肢動物口板同源的結(jié)構(gòu)。“射齒類動物的大爪肢是否是真節(jié)肢動物口板的同源結(jié)構(gòu)，是我們下一階段要解決的科學(xué)問題。”劉煜說。