节肢动物头部早期演化研究取得重要进展——寒武纪叶足动物破译节肢动物头部演化之谜

2013-03-20

　　节肢动物是地球上最成功的一个无脊椎动物类群，常见的有虾、蟹、蜜蜂、蝴蝶、蜈蚣、蝎子、蜘蛛等。它们身体及附肢分节，体表覆盖着坚硬的外骨骼；它们数量庞大，种类繁多（约占动物界所有物种的80%），在地球生物圈中扮演着重要的生态角色。节肢动物的头部由躯体前端的多个体节逐渐融合、头部附肢逐渐改造形成。因此，研究节肢动物头部的早期演化对揭开该类群的众多未解之谜至关重要。进化生物学家对于节肢动物头部的原始性状及早期演化研究已逾百年，至今仍存在诸多悬疑。理论上，研究寒武纪叶足动物的头部构造将有助于破译节肢动物头部演化之谜，然而长期以来，叶足动物化石标本所能提供的头部信息非常有限。
　　中国地质大学（北京）早期生命演化实验室、西北大学早期生命研究所、德国莱比锡大学生物研究所携手合作，以寒武纪澄江化石库中的一种叶足动物“凶猛爪网虫”（Onychodictyon ferox）为突破口，经过数年的努力，终于发现了该物种头部令人振奋的珍贵信息，并论证了其头部构造对于节肢动物的头部问题具有重要的指示意义，为破译节肢动物的头部演化之谜迎来了新的曙光。该成果由中国地质大学（北京）早期生命演化实验室欧强博士主持的两个项目共同支持：（1）中央高校基本科研项目“寒武纪叶足动物头部构造研究（编号：2012097）”：（2）国家自然科学基金（青年科学基金）项目“澄江生物群古虫动物功能形态学及谱系演化研究（编号：41102012）”。成果于2012年12月12日发表于Nature Communications，完成人有欧强、舒德干、Georg Mayer，研究成果主要为以下四个方面。
　　一、揭露了凶猛爪网虫保存精细的头部构造细节——包括头部最前端显著的椭球状吻突、吻突前端的原始口部（顶端口）、狭长的口管、膨大的咽球、硬化的梯形头盾、一对透镜状的单眼，以及一对具羽状分枝和环纹的触角。
　　二、通过与其它寒武纪叶足动物及现代有爪动物（栉蚕）对比研究表明：凶猛爪网虫的头部仅由1个体节（视节）构成；该体节衍生出一对单眼和一对触角状头附肢，分别与栉蚕的单眼和触角同源；该体节对应于栉蚕或节肢动物头部最前端的体节。因此，早期叶足动物与现代泛节肢动物（节肢动物+有爪类+缓步类）最近共祖的头部仅由1个体节（视节）构成；该视节具1对单眼和1对触角；头部具吻突和顶端口。
　　三、凶猛爪网虫成体与现代栉蚕第Ⅳ期胚胎的头部构造及分节性状最为接近。因此，栉蚕的头附肢（触角、颚、黏液乳突）及节肢动物的头附肢（触角、螯肢、须肢、大颚、小颚等）很可能由末端具爪的叶足演化而来。
　　四、西方学者普遍认为，现代有爪类的腹侧口与早期叶足动物及环神经动物的顶端口同源，但最新研究并不支持该结论。化石证据及现代泛节肢动物的发育学研究表明：祖先型叶足动物、现代有爪动物、节肢动物的口部起源不同，为分别独立演化的结果。
　　这项研究首次清晰地揭露了早期海生叶足动物的头部构造细节，在探索节肢动物头部早期演化轨迹这一长期困惑学术界的科学难题上取得了重要进展。
　　专家简介：
　　欧强，男，博士，现就职于中国地质大学（北京）早期生命演化实验室，专业方向为进化古生物学，研究领域寒武纪生命爆发及早期动物树构建。