5亿年前化石的发现揭示了被囊类动物起源的惊人秘密

卡玛·南鲁 (Karma Nanglu) 说，他最喜欢的动物就是他正在研究的动物。但他最新的主题可能会在一段时间内保持第一的地位：一块 5 亿年前的化石， 来自被囊动物这一极其奇怪的海洋无脊椎动物群体。

“这种动物的发现就像我在悬崖边悬挂或从直升机上跳下时发现的一些东西一样令人兴奋。它同样很酷，”哈佛大学有机体与进化生物学系博士后研究员南鲁说。

在《自然通讯》杂志上的一项新研究中， Nanglu 和合著者描述了这种名为Megasiphon thylakos 的新化石，揭示了祖先的被囊动物以静止的、滤食性的成虫形式生活，并且可能经历了蝌蚪状幼虫的变态。

被囊动物是一种真正奇怪的生物，它们有各种形状和大小，生活方式也多种多样。成年被囊类动物的基本形状通常是桶状，有两个虹吸管从其身体上伸出。其中一个虹吸管通过吸力吸入带有食物颗粒的水，使动物可以使用内部篮状过滤装置进食。动物进食后，另一个虹吸管将水排出。

有两种主要的被囊动物谱系：海鞘类(通常称为“海鞘”)和阑尾类。大多数海鞘类动物的生命开始时看起来像蝌蚪并且可以移动，然后变形为具有两个虹吸管的桶状成虫。他们在海底过着成年生活。相比之下，阑尾虫在长大后仍保留蝌蚪的外观，并在上层水域自由游泳。

“这种想法是，它们一开始是长得像蝌蚪的幼虫，当准备发育时，基本上会用头撞击岩石，粘在上面，然后开始变态，重新吸收自己的尾巴，转变成带有两个虹吸管的生物，这真是令人惊叹， ”南鲁说。

有趣的是，被囊动物是脊椎动物的近亲，其中包括鱼类、哺乳动物，甚至人类。如果没有蝌蚪的起源，很难想象这种长相奇怪的生物如何与脊椎动物有联系。被囊类动物与脊椎动物的密切关系使得研究它们对于理解我们自身的进化起源至关重要。不幸的是，这并不容易，因为整个化石记录中几乎完全不存在被囊类动物，只有少数化石令人信服地作为该类群的成员出现。

由于化石如此之少，科学家们主要依靠从现代被囊类动物中学到的知识。由于没有人知道被囊动物最后一个共同祖先的形态和生态，科学家们只能假设它要么是一种有两个虹吸管的底栖动物，如海鞘类，要么是一种自由游泳的动物，如阑尾类。

M. thylakos具有海鞘类被囊动物的所有基本特征，桶状的身体和两个突出的虹吸状生长物。但该团队最突出的特征是化石身体上下延伸的暗带。

袋囊藻的高倍图像使研究人员能够与现代海鞘类动物进行并排比较。研究人员使用现代被囊动物Ciona的解剖部分来识别Megasiphon暗带的性质。比较结果显示，海鞘的肌肉(使被囊动物能够打开和关闭虹吸管)与在这块 5 亿年前的化石中观察到的暗带之间存在显着的相似性。

“巨型虹吸管的形态向我们表明，被囊类动物的祖先生活方式涉及一种不动的成体，用其大型虹吸管过滤进食，”南鲁说。“不仅发现了一块被囊类动物化石，而且还为了解这一神秘群体的早期进化起源提供了独特且无与伦比的视角，这真是太罕见了。”

M. thylakos是迄今为止发现的唯一具有软组织保存的明确被囊类动物化石。它是同类中最古老的，起源于犹他州中寒武纪 Marjum 组。2019 年，合著者研究员鲁迪·勒罗西·奥布里尔 (Rudy Lerosey-Aubril) 和哈维尔·奥尔特加·埃尔南德斯 (Javier Ortega-Hernández) 教授(均为有机体和进化生物学系)在参观犹他州自然历史博物馆 (UMNH) 时，将这块化石确认为被囊类动物。

“这块化石立即引起了我们的注意，”奥尔特加-埃尔南德斯说，“尽管我们主要研究寒武纪节肢动物，例如三叶虫及其软体近亲，但巨管吸虫与现代被囊动物在形态上的密切相似性太惊人了，不容忽视，我们我立刻就知道这块化石将会讲述一个有趣的故事。”

Marjum 地层的化石可以追溯到寒武纪大爆发后不久，寒武纪大爆发是地球历史上最重要的进化事件之一，发生在大约 5.38 亿年前。在此期间，最主要的动物群首次出现在化石记录中，彻底改变了海洋生态系统。然而，尽管被囊类动物在现代海洋中种类繁多且丰富，但在寒武纪岩石中却明显缺失。

有许多保存完好的寒武纪化石遗址，但与加拿大伯吉斯页岩和中国澄江的化石遗址相比，这些遗址常常被忽视。“巨型虹吸管的发现完美地说明了为什么哈维尔和我在过去十年里一直在犹他州进行实地考察，”勒罗西-奥布里尔说。“马朱姆地层现在引起了我们所有的关注，因为我们知道它保存了动物群的化石，例如被囊动物或栉水母，而这些动物在寒武纪化石记录中几乎完全不存在。”

分子钟估计表明海鞘类起源于 4.5 亿年前。然而，距今 5 亿年的袋囊动物为了解古代被囊动物的解剖结构及其最早的进化史提供了最清晰的视角。值得注意的是，袋鼠提供的证据表明，大部分现代被囊动物的身体结构是在寒武纪大爆发后不久就已经形成的。

“鉴于化石的保存质量和年代，我们实际上可以了解很多关于被囊类动物的进化历史，”南鲁说。“这是一个令人难以置信的发现，因为在此之前我们几乎没有关于这个群体祖先生活方式的确凿证据。”

今年春天再次收集了数百块新化石后，研究人员确信马朱姆地层才刚刚开始揭示其秘密。

作者要特别感谢 C. Levitt-Bussian 和 RB Irmis 在参观犹他州自然历史博物馆 (NHMU) 期间提供的帮助，并为对该机构收藏的标本的研究提供便利。感谢土地管理局，特别是 SE Foss 和 G. McDonald，将Megasiphon的正模标本存放在 NHMU 并提供了策展协助。