魚(yú)類(lèi)噴水孔向人類(lèi)中耳演化的四個(gè)階段示意圖。史愛(ài)娟 繪圖
人類(lèi)的中耳是重要的聽(tīng)覺(jué)器官，它在自然界的演化源頭探索一直備受關(guān)注。目前，已有充分胚胎和化石證據(jù)證明人類(lèi)中耳是從魚(yú)類(lèi)的噴水孔演化而來(lái)，而魚(yú)類(lèi)噴水孔又是從何而來(lái)？則是困擾學(xué)界長(zhǎng)達(dá)百年的世紀(jì)難題。
最近，由中國(guó)科學(xué)家主導(dǎo)完成對(duì)采自浙江長(zhǎng)興、云南曲靖的4億多年前古魚(yú)化石的深入研究，證實(shí)魚(yú)類(lèi)噴水孔由第一對(duì)鰓演化而來(lái)，這也是科學(xué)界通過(guò)化石證據(jù)首次揭示，人類(lèi)用來(lái)聽(tīng)的中耳最早起源于魚(yú)類(lèi)用來(lái)呼吸的鰓。
這一破解百年科學(xué)難題的古脊椎動(dòng)物演化重要成果論文，由中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類(lèi)研究所(中科院古脊椎所)蓋志琨研究員聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院院士朱敏、英國(guó)皇家科學(xué)院院士菲利普·多諾格(Philip C.J. Donoghue)、瑞典皇家科學(xué)院院士普爾·阿爾伯格(Per E. Ahlberg)共同完成，并已在國(guó)際專(zhuān)業(yè)學(xué)術(shù)期刊《生態(tài)和演化前沿》發(fā)表。
在云南曲靖早泥盆世寬甲魚(yú)化石中首次發(fā)現(xiàn)鰓絲印痕，揭示人類(lèi)的中耳曾經(jīng)是魚(yú)類(lèi)用來(lái)呼吸的鰓。蓋志琨 攝
百年科學(xué)難題是如何產(chǎn)生的？
蓋志琨研究員近日在北京接受中新社記者專(zhuān)訪時(shí)科普介紹說(shuō)，人類(lèi)中耳包鼓膜室、傳導(dǎo)聲音的三塊聽(tīng)小骨和通向口腔的咽鼓管等，是人類(lèi)擁有靈敏聽(tīng)覺(jué)的秘訣所在。魚(yú)類(lèi)的噴水孔是位于眼睛之后，頜弓和舌弓之間一個(gè)只含有假鰓的不完整鰓裂，是魚(yú)類(lèi)非常重要的呼吸器官。
在軟骨魚(yú)類(lèi)中，噴水孔主要用來(lái)吸入水流，是底棲軟骨魚(yú)類(lèi)適應(yīng)海底生活的生存秘訣，而在原始的硬骨魚(yú)類(lèi)中，噴水孔主要用來(lái)呼吸空氣，它是研究早期肉鰭魚(yú)類(lèi)如何登上陸地呼吸空氣，適應(yīng)陸地生活的重要參照。
他指出，在魚(yú)類(lèi)噴水孔演化方面，繼法國(guó)解剖學(xué)家圣西蘭1822年發(fā)表經(jīng)典著作《解剖哲學(xué)》、德國(guó)解剖學(xué)家卡爾·根格包爾1872年提出脊椎動(dòng)物頭部分節(jié)理論之后，英國(guó)古生物學(xué)家沃特森1937年進(jìn)一步提出“自由舌弓理論”，認(rèn)為早期有頜類(lèi)的一個(gè)原始狀態(tài)，是在頜弓和舌弓之間應(yīng)該具有一個(gè)完整的、尚未退化的鰓裂，而非噴水孔。
該理論激發(fā)了二十世紀(jì)古生物學(xué)家在早期有頜類(lèi)的頜弓和舌弓之間尋找一個(gè)未退化鰓裂的熱潮。但遺憾的是，經(jīng)過(guò)一個(gè)世紀(jì)的尋找，各國(guó)古生物學(xué)家仔細(xì)查驗(yàn)了現(xiàn)生無(wú)頜類(lèi)和早期有頜類(lèi)中所有盾皮魚(yú)類(lèi)、棘魚(yú)類(lèi)、軟骨魚(yú)類(lèi)和硬骨魚(yú)類(lèi)的化石，此前一直沒(méi)有找到確切化石證據(jù)。
中國(guó)浙江志留紀(jì)最古老的真盔甲魚(yú)類(lèi)曙魚(yú)腦顱的三維重建。蓋志琨 供圖
中國(guó)化石證據(jù)是怎么找到的？
蓋志琨說(shuō)，中科院古脊椎所團(tuán)隊(duì)2002年起就在浙江長(zhǎng)興志留紀(jì)早期(約4.38億年前)海相紅層中開(kāi)展野外工作，并找到一種最為原始的真盔甲魚(yú)化石，后來(lái)將其命名為“曙魚(yú)”。這些只有指甲蓋大小的曙魚(yú)化石都是具有三維立體軟骨腦顱保存的珍貴標(biāo)本，研究團(tuán)隊(duì)2006年進(jìn)行三維無(wú)損掃描后又對(duì)其腦顱進(jìn)行三維虛擬復(fù)原，前后歷時(shí)5年共完成7件曙魚(yú)腦顱化石的三維重建，通過(guò)深入研究發(fā)現(xiàn)，盔甲魚(yú)類(lèi)所謂的鰓間脊實(shí)際上是鰓弓的背側(cè)部分，即盔甲魚(yú)類(lèi)的鰓弓跟腦顱愈合成一個(gè)主要起防護(hù)作用的頭甲，這跟龜鱉類(lèi)的肋骨擴(kuò)大愈合成龜甲有異曲同工之妙。
進(jìn)一步對(duì)比研究顯示，曙魚(yú)的整個(gè)鰓弓還保持整個(gè)脊椎動(dòng)物的原始狀態(tài)，它的頜弓正好位于眶孔之后，形成眶后壁。同時(shí)，精確復(fù)原的曙魚(yú)腦神經(jīng)多方面證據(jù)顯示，盔甲魚(yú)眼睛后面的一個(gè)鰓囊就是位于頜弓和舌弓之間的舌頜囊，它跟后面的5個(gè)鰓囊并無(wú)二致，而且開(kāi)口于頭甲腹面，并不像噴水孔那樣開(kāi)口于頭甲背面，因此基本判斷盔甲魚(yú)的舌頜囊還是一個(gè)未退化的鰓囊。
“不過(guò)，要想證明它是一個(gè)具有正常呼吸功能的鰓，還缺少整個(gè)證據(jù)鏈條中的最后一環(huán)，即找到該鰓囊中存在鰓絲的化石證據(jù)”。
蓋志琨稱，研究團(tuán)隊(duì)為此又將目光移向素有“古魚(yú)王國(guó)”和“人類(lèi)遠(yuǎn)祖發(fā)源地”之稱的云南曲靖，通過(guò)在曲靖早泥盆世(約4.19億年前)地層長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的野外發(fā)掘工作，2017年很幸運(yùn)首次采集到第一個(gè)在眼睛后第一鰓囊中完整保存鰓絲印痕的寬甲魚(yú)化石新材料。
通過(guò)深入分析，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步證明盔甲魚(yú)眼睛后的第一鰓囊是具有正常呼吸功能的鰓，而非退化的噴水孔，從而為魚(yú)類(lèi)等脊椎動(dòng)物噴水孔起源于退化的鰓，提供出最為確切的解剖證據(jù)和化石證據(jù)。
蓋志琨研究員在北京辦公室受訪，展示采自云南曲靖“古魚(yú)王國(guó)”、完整保存鰓絲印痕的古魚(yú)化石。 中新社記者 孫自法 攝
從鰓到耳演化序列是何以建立的？
蓋志琨表示，在化石證據(jù)破解百年科學(xué)難題的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)明確提出噴水孔從無(wú)頜類(lèi)到四足動(dòng)物的演化歷程，從而建立起噴水孔從無(wú)頜類(lèi)的鰓到人類(lèi)中耳的演化序列：
隨著盔甲魚(yú)類(lèi)成對(duì)鼻囊的分裂，頭甲前發(fā)育出異常巨大的中背孔(單鼻孔)，來(lái)充當(dāng)吸入水流的主要呼吸器官，因此頜弓和舌弓之間的舌頜囊首次發(fā)育成一個(gè)完整的鰓囊，該鰓囊跟后面5個(gè)正常的鰓囊一樣具有完整的前后半鰓，半鰓具有鰓絲，是氧氣交換的主要場(chǎng)所。
蓋志琨研究員在北京辦公室受訪，展示采自云南曲靖“古魚(yú)王國(guó)”、完整保存鰓絲印痕的古魚(yú)化石。中新社記者 孫自法 攝
隨著頜和雙鼻孔的起源，有頜類(lèi)成功演化出雙鼻孔，但雙鼻孔并不與口腔相通，沒(méi)有呼吸功能，只有嗅覺(jué)功能。不過(guò)，魚(yú)類(lèi)的呼吸需求并沒(méi)減少，因此眼睛后的第一鰓囊(舌頜囊)被改造成噴水孔，成為主要呼吸器官，這在最原始的有頜類(lèi)盾皮魚(yú)類(lèi)中就已經(jīng)發(fā)生，因?yàn)樽钤嫉亩芷~(yú)類(lèi)胴甲魚(yú)類(lèi)(溝鱗魚(yú))和最進(jìn)步的盾皮魚(yú)類(lèi)麒麟魚(yú)均已具有噴水孔，因此，噴水孔很可能在有頜類(lèi)中伴隨頜和雙鼻孔的出現(xiàn)同時(shí)起源。
噴水孔在軟骨魚(yú)類(lèi)中主要用來(lái)吸入水流，而在早期的硬骨魚(yú)類(lèi)主要用來(lái)呼吸空氣，從而為魚(yú)類(lèi)登上陸地呼吸空氣提供了先決條件。隨著內(nèi)鼻孔在肉鰭魚(yú)類(lèi)的起源(如肯氏魚(yú))，成功打通鼻腔與口腔的通道，鼻孔又成為主要呼吸器官，從而為魚(yú)類(lèi)登上陸地用肺呼吸，進(jìn)一步奠定了基礎(chǔ)。
噴水孔從無(wú)頜類(lèi)的鰓到人類(lèi)中耳的演化歷程示意圖。史愛(ài)娟 繪圖
登上陸地的四足動(dòng)物，面臨著一個(gè)全新的環(huán)境，不得不發(fā)展新的感覺(jué)器官，以便在空氣中更好地生存。這樣背景下，已失去呼吸功能的噴水孔又被回收利用，逐漸演化成人類(lèi)中耳腔的鼓膜室，而舌頜骨及其關(guān)節(jié)的方骨和關(guān)節(jié)骨也逐漸退化變小，最終進(jìn)入到中耳演化成為三塊聽(tīng)小骨，并被重新命名為鐙骨、錘骨和砧骨，負(fù)責(zé)將聲音傳遞給大腦，讓人類(lèi)最終擁有了靈敏的聽(tīng)覺(jué)。
他強(qiáng)調(diào)，如果不是這些史前魚(yú)類(lèi)通過(guò)頭頂噴水孔呼吸空氣的大膽試驗(yàn)，人類(lèi)可能永遠(yuǎn)不會(huì)演化出如此敏銳的聽(tīng)覺(jué)，古老魚(yú)類(lèi)化石的不斷演化，帶給了人們享受聽(tīng)覺(jué)盛宴的機(jī)會(huì)。
“如果你捏上鼻子，并閉上嘴使勁鼓氣的話，你會(huì)感到耳朵的鼓膜非常的脹，這說(shuō)明我們耳朵跟口腔依然是相通的，而聯(lián)通他們的正是原來(lái)從噴水孔通向口腔的咽鼓管，這也是魚(yú)類(lèi)遺留給我們的演化殘跡之一?！鄙w志琨說(shuō)。
（來(lái)源：中國(guó)新聞網(wǎng) 記者孫自法）
【編輯：金鑫】
