研究人員在一種新發(fā)現(xiàn)的爬蟲(chóng)或浮游動(dòng)物化石中發(fā)現(xiàn)了已知最早，完整的中樞神經(jīng)系統(tǒng)。

    來(lái)自英國(guó)自然歷史博物館，云南大學(xué)等處的研究人員發(fā)表了題為“Chelicerate neural ground pattern in a Cambrian great appendage arthropod”的文章，在中國(guó)西南地區(qū)昆明附近著名的澄江區(qū)域，發(fā)現(xiàn)了一種3厘米長(zhǎng)的動(dòng)物（一英寸多一點(diǎn)）化石，這種動(dòng)物具有已知最早的完整的神經(jīng)系統(tǒng)。這一研究成果公布在10月17日Nature雜志上。

    文章的通訊作者分別是云南大學(xué)的侯先光教授，以及英國(guó)自然歷史博物館的 Gregory D. Edgecombe 教授，其中侯先光教授主要從事澄江動(dòng)物群的研究，是澄江生物群化石的發(fā)現(xiàn)者，現(xiàn)任云南大學(xué)教授，云南省古生物研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。
 

    早在1984年，侯先光教授等人就在云南省澄江縣帽天山早寒武世地層內(nèi)（5.3億年前）發(fā)現(xiàn)了聞名于世的澄江動(dòng)物化石群。該動(dòng)物化石群的發(fā)現(xiàn)被世界科學(xué)界稱(chēng)為“二十世紀(jì)最驚人的發(fā)現(xiàn)之一”,世界科學(xué)家把該化石群評(píng)價(jià)為“永遠(yuǎn)是科學(xué)的大廈”,為早期生命科學(xué)研究開(kāi)辟了一個(gè)重要的創(chuàng)新性研究領(lǐng)域。

    頭部神經(jīng)系統(tǒng)

    最新發(fā)現(xiàn)的這一動(dòng)物化石也屬于澄江動(dòng)物化石群，是螯肢亞門(mén)（chelicerates,包括蜘蛛，蝎子等）的祖先，在大約五億年前與其他節(jié)肢動(dòng)物，如昆蟲(chóng)，甲殼類(lèi)動(dòng)物和千足蟲(chóng)產(chǎn)生了分支。

    這種動(dòng)物存活于5.20億年前的海洋中，是稱(chēng)為megacheirans（希臘文為巨大附肢）的海洋節(jié)肢滅絕動(dòng)物——Alalcomenaeus.“我們現(xiàn)在知道，megacheirans與今天的馬蹄蟹和蝎子具有非常相似的中樞神經(jīng)系統(tǒng)”,文章作者Nicholas Strausfeld表示，“這意味著蜘蛛和它們的‘親屬’的祖先，與下寒武紀(jì)甲殼類(lèi)動(dòng)物的祖先比鄰生活。”

    （圖片顯示的是Alalcomenaeus化石樣本的頭部區(qū)域顯微鏡成像結(jié)果，不同的顏色揭示了化學(xué)元素的分布，其中銅顯示為藍(lán)色，鐵為品紅，CT掃描為綠色。鐵和CT的交匯處就是神經(jīng)系統(tǒng)）

    Alalcomenaeus是一種頭甲背視形狀成近似等邊梯形的動(dòng)物，具有一對(duì)類(lèi)似于L.iilecebrosa的莖狀眼，頭部具有一對(duì)三分叉的大附肢，具有11個(gè)軀干體節(jié)，尾節(jié)扁平寬大。
 

    技術(shù)手段

    這一研究組采用了不同的成像技術(shù)對(duì)這一化石進(jìn)行了分析，其中充分利用了化石形成過(guò)程中神經(jīng)系統(tǒng)里的鐵元素選擇性積累的原理。

    為了觀察到神經(jīng)結(jié)構(gòu)，研究人員采用了計(jì)算機(jī)斷層掃描（computed tomography ,CT）技術(shù)，這是一種能重構(gòu)樣品中三維特征的技術(shù)。但是“CT掃描無(wú)法明確的顯示神經(jīng)系統(tǒng)的輪廓，”Strausfeld說(shuō)，“而激光掃描技術(shù)卻能繪制出雖然不完美，但是比較精確的神經(jīng)系統(tǒng)中鐵沉積的化學(xué)元素分布。”

    之后，研究人員又通過(guò)先進(jìn)的成像掃描技術(shù)，首次利用CT掃描的綠色覆蓋鐵沉積掃描的品紅色，再減去兩者顏色。

    “我們剔除了兩者掃描中都不存在的圖像數(shù)據(jù)，”Strausfeld解釋道，“在兩個(gè)重疊的情況下，品紅色和綠色彼此相加，揭示出了神經(jīng)系統(tǒng)（白色結(jié)構(gòu)），然后我們?cè)俚雇苹貋?lái)”.

    “現(xiàn)在白色結(jié)構(gòu)顯示為黑色，”Strausfeld說(shuō)，“從而這個(gè)美麗的中樞神經(jīng)系統(tǒng)以令人吃驚的細(xì)節(jié)顯示了出來(lái)。”

    神經(jīng)系統(tǒng)具體特征

    研究人員比較了這種化石的神經(jīng)系統(tǒng)與馬蹄蟹和蝎子的神經(jīng)系統(tǒng)，毫無(wú)疑問(wèn)的指出這一5.20億年前的Alalcomenaeus屬于螯肢亞門(mén)（chelicerates）。

    而且這一化石還具有蝎子和蜘蛛大腦中具有的典型特征：三簇稱(chēng)為神經(jīng)節(jié)的神經(jīng)細(xì)胞相互融合，這不同于一些甲殼類(lèi)動(dòng)物，它們的神經(jīng)節(jié)相隔很遠(yuǎn)，通過(guò)長(zhǎng)神經(jīng)連接，就像是繩梯中的每節(jié)梯子。

    其它特征還包括大腦腸道開(kāi)口的位置，以及大腦內(nèi)外感光中心的設(shè)置。

    在進(jìn)一步的研究中，研究人員還利用這些特征與其它約150種特征，共同分析了節(jié)肢動(dòng)物中的進(jìn)化關(guān)系。“Greg將這些特征加入到了一個(gè)計(jì)算機(jī)分支系統(tǒng)學(xué)分析中，并提出問(wèn)題：這個(gè)化石應(yīng)該放置在系統(tǒng)樹(shù)的哪個(gè)位置？”Strausfeld說(shuō)，“我們認(rèn)為它應(yīng)該屬于現(xiàn)代螯肢亞門(mén)”.

    更進(jìn)一步的研究探索

    但這個(gè)故事并沒(méi)有就此結(jié)束。

    大約一年前，侯先光教授等人發(fā)現(xiàn)解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大腦進(jìn)化比以前認(rèn)為的要更早，并且在進(jìn)化過(guò)程中并沒(méi)有發(fā)生多大的改變。

    當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的化石屬于延長(zhǎng)撫仙湖蟲(chóng)（Fuxianhuia protensa），是云南澄江早寒武世三個(gè)新的大型節(jié)肢動(dòng)物之一，是一種滅絕的節(jié)肢動(dòng)物。研究人員發(fā)現(xiàn)延長(zhǎng)撫仙湖蟲(chóng)的大腦每一側(cè)上有三個(gè)視覺(jué)髓，這很可能與昆蟲(chóng)中出現(xiàn)的神經(jīng)纖維橫向模式有關(guān)，而且其大腦也由三個(gè)個(gè)融合分布組成，而軟甲亞綱（branchiopods）只有兩個(gè)分布的融合。

    這指出，一旦大腦的基本設(shè)計(jì)已經(jīng)進(jìn)化出現(xiàn)，那么就不會(huì)發(fā)生太大的變化。相反，外圍的一些元件，如眼睛，觸角，其他附加物，感覺(jué)器官等就會(huì)發(fā)現(xiàn)巨大的多樣化，以及功能上的專(zhuān)業(yè)化，不過(guò)這些都會(huì)輸入到相同的基本環(huán)路中。

    而“這一新發(fā)現(xiàn)則表明mandibulates（包括甲殼類(lèi)動(dòng)物）和螯肢亞門(mén)（chelicerates）在5.20億年已經(jīng)出現(xiàn)了分支，作為兩種不同的進(jìn)化軌跡，這也就是意味著，它們的共同祖先在此前更早的時(shí)間里就已經(jīng)存在了，”Strausfeld說(shuō)，“我們希望能進(jìn)一步分析更早時(shí)間的化石，并在未來(lái)找到mandibulate和chelicerate的祖先，解析其神經(jīng)細(xì)胞，目前我們不清楚這些動(dòng)物來(lái)自于哪兒，現(xiàn)在終于有了搜索的方向。”

    云南省古生物研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室官方新聞稿

    《Nature》發(fā)表云南大學(xué)侯先光等的最新研究成果

    10月17日，包括云南大學(xué)古生物學(xué)家侯先光教授、馬曉婭博士及日本、英國(guó)、美國(guó)研究人員在內(nèi)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)在頂尖期刊《Nature》發(fā)表了題為“Chelicerate neural ground pattern in a Cambrian great appendage arthropod”的最新論文。作為重大發(fā)現(xiàn)，該成果的發(fā)表說(shuō)明古生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了寒武紀(jì)時(shí)期（5.41-4.85億年）已知最完整的動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)。

    2012年7月1日，云南澄江動(dòng)物化石群被聯(lián)合國(guó)批準(zhǔn)為《世界自然遺產(chǎn)》，也是中國(guó)唯一的化石類(lèi)世界自然遺產(chǎn)。在這一化石群中，保存有大附肢節(jié)肢動(dòng)物——始蟲(chóng)（Alalcomenaeus sp.）化石。這類(lèi)動(dòng)物前部具有一對(duì)強(qiáng)壯的螯肢與頭部相連，其系統(tǒng)分類(lèi)關(guān)系多有爭(zhēng)論，被認(rèn)為是單系列、平行系列或多系列演化，是螯肢節(jié)肢動(dòng)物干系類(lèi)群或節(jié)肢動(dòng)物干系類(lèi)群等不同的觀點(diǎn)。

    研究人員對(duì)始蟲(chóng)化石標(biāo)本進(jìn)行了深入研究。通過(guò)計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT），揭示了保存完好的神經(jīng)系統(tǒng)，包括與現(xiàn)生節(jié)肢動(dòng)物相同的具有3個(gè)體節(jié)的腦部，腦前方有一個(gè)與眼部相連的神經(jīng)組織，以及11個(gè)軀干體節(jié)中連續(xù)顯示的前8個(gè)神經(jīng)節(jié)。

    根據(jù)這些信息，研究人員能夠?qū)⒑浼o(jì)早期的始蟲(chóng)化石與現(xiàn)生的螯肢動(dòng)物類(lèi)群的節(jié)肢動(dòng)物進(jìn)行對(duì)比——如鱟、蝎子和蜘蛛等。澄江動(dòng)物化石群中節(jié)肢動(dòng)物神經(jīng)組織的較完美保存，為闡述化石類(lèi)群中頭部特化附肢是與哪一神經(jīng)節(jié)相聯(lián)系的長(zhǎng)期爭(zhēng)論提供了新的證據(jù)。

    研究證實(shí)，寒武紀(jì)早期始蟲(chóng)化石的神經(jīng)系統(tǒng)與現(xiàn)生的鱟的幼蟲(chóng)神經(jīng)系統(tǒng)十分吻合，支持了大附肢節(jié)肢動(dòng)物與其同源的觀點(diǎn)。因此，寒武紀(jì)大附肢節(jié)肢動(dòng)物是屬于螯肢節(jié)肢動(dòng)物，其外觀上我們也可以看出兩者形態(tài)的相似之處。這是首次利用化石的直接證據(jù)進(jìn)行神經(jīng)解剖學(xué)分析，對(duì)古老的及現(xiàn)代的不同動(dòng)物間的親緣關(guān)系進(jìn)行分類(lèi)。

    節(jié)肢動(dòng)物具有漫長(zhǎng)而豐富的化石歷史，可以追溯到5.2億年前。然而長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)這些古老節(jié)肢動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)幾乎一無(wú)所知。古生物學(xué)家只能依靠化石中保存的附肢來(lái)與現(xiàn)生的節(jié)肢動(dòng)物進(jìn)行比較，以此來(lái)推斷頭部的體節(jié)或帶有大附肢的頭中的神經(jīng)索。這一新發(fā)現(xiàn)使從古老化石中研究中樞神經(jīng)系統(tǒng)成為可能，使最古老的動(dòng)物與現(xiàn)生的動(dòng)物之間關(guān)系可以直接進(jìn)行對(duì)比。

    侯先光教授、馬曉婭博士等的研究也進(jìn)一步說(shuō)明，澄江動(dòng)物群這一中國(guó)化石世界自然遺產(chǎn)在回答生命科學(xué)領(lǐng)域中關(guān)于動(dòng)物進(jìn)化的一些關(guān)鍵問(wèn)題時(shí)的重要作用。