對大約3.75億年前泥盆紀(jì)晚期魚類化石的研究，詳細(xì)描述了鰭開始轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合在陸地上行走的四肢進化過程。芝加哥大學(xué)古生物學(xué)家的這項新研究發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上，該研究使用CT掃描來檢查仍被圍困在圍巖中的鰭射線形狀和結(jié)構(gòu)。

這些成像工具能讓研究人員首次在化石記錄中構(gòu)建魚足類Tiktaalik及其近親整個鰭的數(shù)字三維模型。然后，可以使用這些模型來推斷鰭在進化為四肢的過程中是如何工作和變化的。

在這個關(guān)鍵的過渡階段，對鰭的大部分研究都集中在與我們上臂、前臂、手腕和手指對應(yīng)巨大、獨特的骨骼和軟骨片段上。研究人員追蹤了被稱為“內(nèi)骨骼”的這些骨骼是如何變化成四足動物(即四足動物)中可識別的手臂、腿和手指。魚鰭上纖細(xì)的射線和刺形成了第二個同樣重要的“真皮”骨架，它也在這一時期經(jīng)歷了進化變化。這些碎片經(jīng)常被忽視，因為當(dāng)動物變成化石時，它們可能會碎裂，或者是因為化石制備者故意將它們移走，以露出內(nèi)骨骼的較大骨骼。

真皮射線形成了許多魚鰭的大部分表面積，但在最早有四肢的生物中完全消失了。領(lǐng)導(dǎo)這項新研究的博士后研究員托馬斯·斯圖爾特(Thomas Stewart)博士說：我們試圖在所有其他變化發(fā)生和成熟肢體進化之前，了解真皮骨骼的總體趨勢和進化。如果你想了解在這段歷史中，動物是如何進化到使用鰭的，這將是一個重要的數(shù)據(jù)集。

3D模擬中古老的鰭

斯圖爾特和同事們研究了三種具有四足動物原始特征的晚泥盆世魚類：蜥蜴(Sauripterus Taylori)、真龍(Eusthenopteron Foordi)和蒂塔里克玫瑰(Tiktaalik Roseae)，這是由這項新研究的資深作者、芝加哥大學(xué)古生物學(xué)家尼爾·舒賓(Neil Shubin)博士領(lǐng)導(dǎo)團隊發(fā)現(xiàn)的。蜥蜴和Eusthenopteron被認(rèn)為是完全水生的，并使用它們的胸鰭游泳，盡管它們可能已經(jīng)能夠在湖泊和溪流的底部支撐自己。Tiktaalik可能已經(jīng)能夠用它的鰭支撐它的大部分重量。

甚至可能用它們冒險走出水面，進行穿越淺灘和泥灘的短途旅行。通過觀察Tiktaalik的整個鰭，可以更清楚地了解它是如何支撐自己和移動。鰭有一種可以平放在河流和溪流泥濘底部上的手掌。斯圖爾特和舒賓與本科生Ihna Yoo和博士Justin Lemberg(舒賓實驗室的另一名研究人員)合作，在這些化石還被包裹在巖石中時掃描了它們的樣本。然后使用成像軟件重建三維模型，這樣他們就可以移動、旋轉(zhuǎn)和可視化真皮骨骼，就像它是從周圍材料中完全提取出來的一樣。

模型顯示，這些動物的鰭射線被簡化了，鰭網(wǎng)的整體尺寸比前身要小。令人驚訝的是，還看到鰭的頂部和底部變得不對稱。鰭射線實際上是由成對的骨骼形成。例如在Eusthenopteron，背鰭或頂鰭比腹鰭或底鰭稍大和長。Tiktaalik的背射線比腹射線大好幾倍，這表明鰭下側(cè)有伸展的肌肉，就像手掌的肉質(zhì)底部，以幫助支撐它的體重。這提供了進一步的信息，讓我們能夠了解像Tiktaalik這樣的動物在這種轉(zhuǎn)變中是如何使用鰭的。

動物從自由自在地游泳，用鰭控制周圍的水流，到適應(yīng)在水底推開水面。斯圖爾特和同事們還比較了鱘魚和肺魚等活魚的真皮骨骼，以了解在化石中看到的模式。在鰭的頂部和底部發(fā)現(xiàn)了一些相同的不對稱差異，這表明這些變化在魚類進化中發(fā)揮了更大的作用。這給了研究人員更多的信心，另一組數(shù)據(jù)表明，這些模式對魚類來說是真實、廣泛和重要的，不僅僅是在化石記錄中，因為它與鰭到肢的轉(zhuǎn)變有關(guān)，而且在更廣泛的范圍內(nèi)，鰭的功能也是如此。

博科園｜研究/來自：芝加哥大學(xué)醫(yī)學(xué)中心

參考期刊《美國國家科學(xué)院院刊》

DOI: 10.1073/pnas.1915983117

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