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科研速報(bào)系列將歸入鯊魚(yú)雜談文集中，該系列將為讀者播報(bào)世界范圍內(nèi)最新發(fā)布的有關(guān)軟骨魚(yú)類的最新研究成果。本期播報(bào)的是古生物學(xué)分主題關(guān)于“鯊鰩類演化研究的關(guān)鍵物種”---原棘鯊的內(nèi)容。

閱讀之前建議各位先了解一下演化中系統(tǒng)發(fā)生樹(shù)相關(guān)的概念和含義，以下是兩個(gè)專業(yè)性比較高的網(wǎng)站：

維基百科鏈接：

https://zh.wikipedia.org/zh-hans/%E7%B3%BB%E7%B5%B1%E7%99%BC%E7%94%9F%E6%A8%B9

東南大學(xué)生物信息學(xué)導(dǎo)論鏈接：

http://bioinfo.seu.edu.cn/xsun/bioinfomatics/Web/CharpterSix/6.1.htm

摘要：軟骨魚(yú)類的演化關(guān)系以及系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)的構(gòu)建一直是古生物學(xué)和演化生物學(xué)界爭(zhēng)議的焦點(diǎn)。目前有形態(tài)派（認(rèn)為鰩類屬于一類特化的角鯊總目的鯊魚(yú)）和分子派（認(rèn)為鰩類與鯊魚(yú)組成姊妹群）兩種主要派別，兩種由不同數(shù)據(jù)類別支持的派別互不兼容且理論上互相沖突，對(duì)一些疑難物種的演化關(guān)系與位置識(shí)別造成了較大的困難。而生存于晚侏羅紀(jì)，隸屬于角鯊總目的原棘鯊（Protospinax annectans）便是一個(gè)典型的例子，數(shù)十年以來(lái)，許多演化研究將該物種放在了不同的演化位置，傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)派認(rèn)為它是形態(tài)派口中下口角鯊總目的基干類群（即最早分化與所有鰩類，扁鯊和鋸鯊組成姊妹群）。為了更精準(zhǔn)的確認(rèn)該物種位于軟骨魚(yú)演化樹(shù)上的位置，本篇報(bào)道的研究利用分子生物學(xué)指定的演化樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)+形態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)混合構(gòu)建演化樹(shù)的方式，測(cè)試了過(guò)去發(fā)布的各種演化假說(shuō)，并提出了一些軟骨魚(yú)類演化的新見(jiàn)解。

關(guān)鍵詞：原棘鯊，軟骨魚(yú)綱，演化，下口角鯊總目，分子框架限制。

• 分子 vs. 形態(tài)：軟骨魚(yú)類-板鰓亞綱演化的“鰩悖論”?Molecular vs. morphological data: The?"Ray Paradox" of Elasmobranchii?tree of life

自分子生物學(xué)對(duì)應(yīng)的演化理論引入古生物學(xué)之后，軟骨魚(yú)類的演化，一直是古生物學(xué)家熱議的話題?，F(xiàn)代軟骨魚(yú)類共有兩個(gè)亞綱：全頭亞綱（Holocephali，即銀鮫）和板鰓亞綱 (Elasmobranchii，鯊魚(yú)和鰩魟)，板鰓亞綱又下屬三個(gè)總目（superorder）:真鯊總目（galeomorphii），角鯊總目（Squalimorphii）以及鰩總目（Batomorphii），這三個(gè)總目的構(gòu)架得到了分子生物學(xué)與傳統(tǒng)形態(tài)數(shù)據(jù)的支持。然而，大多數(shù)關(guān)于軟骨魚(yú)類演化的爭(zhēng)議在于：鯊類兩個(gè)總目與鰩總目的演化關(guān)系（interrelationship）。

傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)（即通過(guò)不同的骨骼、牙齒等結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)測(cè)量值形成一個(gè)大的數(shù)據(jù)矩陣，來(lái)對(duì)生物類群構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)來(lái)解釋其演化關(guān)系，下稱形態(tài)派）構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)生樹(shù)認(rèn)為：在角鯊總目（squalimorphii）中，包含著一個(gè)由鋸鯊目(pristiophoriformes)，扁鯊目(squantiniformes)以及所有鰩總目成員組成的一個(gè)下屬類群：hypnosqualea (暫譯為：下口角鯊總目)，即這個(gè)假說(shuō)認(rèn)為：所有的鰩魟?lì)愇锓N是一種特殊的“衍生”鯊魚(yú)，即它們是高度特化的鯊魚(yú)，且與鋸鯊，扁鯊關(guān)系相近。

與之截然相反，近年來(lái)隨著DNA測(cè)序技術(shù)以及基因組學(xué)的發(fā)展，軟骨魚(yú)類線粒體DNA數(shù)據(jù)的爆炸式增長(zhǎng)，新的分子數(shù)據(jù)（由線粒體編碼基因，非編碼基因和核編碼基因序列組成）所構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)認(rèn)為（下稱分子派）：鰩總目（batomorphii）和鯊總目（selachii）組成姐妹群（sister-group），并不是“高度特化的鯊魚(yú)”。

在兩派形成之后，各派之間的數(shù)據(jù)互不支持對(duì)方的觀點(diǎn)。關(guān)于形態(tài)派的觀點(diǎn)，仍存在許多疑點(diǎn)。例如：通過(guò)化石對(duì)時(shí)間的校訂，所有三個(gè)板鰓類總目的最早分化時(shí)間不應(yīng)當(dāng)晚于早侏羅紀(jì)時(shí)期，但要是將這個(gè)時(shí)間線帶入到下口角鯊總目假說(shuō)中，就意味著，位于下口角鯊總目最基干（也就是最早分化出來(lái)的）位置的鋸鯊與扁鯊，出現(xiàn)時(shí)間應(yīng)當(dāng)早于鰩總目。然而現(xiàn)實(shí)化石證據(jù)顯示，鋸鯊與扁鯊均出現(xiàn)于白堊紀(jì)（1.45億年前）之后，即化石校定的時(shí)間無(wú)法與該演化樹(shù)的結(jié)構(gòu)相呼應(yīng)。分子派的觀點(diǎn)也并非完全是板磚一塊：當(dāng)采樣時(shí)利用不同的序列作為演化樹(shù)的輸入數(shù)據(jù)時(shí)，不同的序列組成的演化樹(shù)結(jié)構(gòu)也依然有較大出入。且目前關(guān)于軟骨魚(yú)類的序列數(shù)據(jù)較為匱乏，分子派的準(zhǔn)確度也受到了一些爭(zhēng)議。

諸多問(wèn)題仍亟待解決。

• 原棘鯊：歸屬之爭(zhēng)?Protospinax: A Controversy of Interrelationship

我們今天的主題物種：原棘鯊（Protospinax annectans）便是一個(gè)歸屬成謎的物種。

原棘鯊是一種廣泛分布于歐洲淺海的中小型鯊魚(yú)，生存于侏羅紀(jì)中晚期至白堊紀(jì)早期，那時(shí)的歐洲大陸是溫暖的特提斯洋，一片廣袤的亞熱帶淺海，因此該地區(qū)的淺海軟骨魚(yú)類化石種類繁多。它們的化石多產(chǎn)于德國(guó)巴伐利亞的索倫霍芬石灰?guī)r，年代為晚侏羅紀(jì)提通期，那里保存著許多同時(shí)期的完整的海洋生物化石。它們的體長(zhǎng)約1米至1.2米左右，較大的個(gè)體全長(zhǎng)約1.6-1.7m，體型類似于當(dāng)代的大型須鯊屬（Orectolobus）成員。

部分形態(tài)特征：擁有寬大且扁平的軀干，兩個(gè)背鰭前端有背鰭棘；缺少臀鰭且營(yíng)底棲生活；牙齒扁平，根據(jù)一些牙齒化石樣本的CT掃描顯示，它們的牙齒內(nèi)部具有一個(gè)體積占比很大的牙髓腔，主要位于牙根處，頂部向牙冠延伸，鈣化牙質(zhì)由牙髓腔周邊逐漸向牙冠與牙根延伸，缺乏牙骨質(zhì)，這種牙齒鈣化形式以及形態(tài)與鋸鯊和大多數(shù)鰩類相似，牙釉質(zhì)分三層；頜骨與軟骨顱的接合方式為眼接型（orbitostylic, 這種接合頜骨和顱骨的方式常見(jiàn)于角鯊總目）;肩帶烏喙部骨骼具有兩個(gè)踝，前端的踝連接胸鰭的前、中鰭基軟骨，后端的踝鏈接胸鰭的后鰭基軟骨；盾鱗密集分布于頭部、胸鰭前部尖端、背鰭以及尾鰭前端（其作用可能是降低迎水面的阻力，保證在游動(dòng)時(shí)減少能量消耗），且有四種形態(tài)。他的化石最早由Woodward于1918年描述。

系統(tǒng)分類上，由于它的外表與扁鯊、鋸鯊等較為相似，缺少臀鰭，形態(tài)學(xué)分類一般將其歸入角鯊總目下。但是，它在角鯊總目?jī)?nèi)部的演化關(guān)系卻可以用五花八門來(lái)形容：在其被描述的105年間，它在軟骨魚(yú)系統(tǒng)發(fā)生樹(shù)上的位置至少變過(guò)6次，最早描述它的Woodward認(rèn)為從形態(tài)上它是幾種角鯊總目、真鯊總目和所有鰩類物種的直系祖先（沒(méi)辦法，1918年的生物系統(tǒng)分類是幾乎無(wú)法用言語(yǔ)來(lái)形容的亂），后世的一些采用形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)的演化研究版本依然眾多，形態(tài)學(xué)派種最廣泛流傳的觀點(diǎn)說(shuō)它是角鯊總目和鰩總目冠群的基干物種，或者認(rèn)為它和扁鯊目/角鯊目/鋸鯊目是姊妹群，有的根據(jù)牙齒形態(tài)和頜骨接合形態(tài)的證據(jù)以及背鰭上的棘刺，干脆認(rèn)為它就是一種角鯊。甚至還有比較離譜的研究把它的不同標(biāo)本劃為不同的鰩魚(yú)種類......不過(guò)后來(lái)那項(xiàng)研究的作者們自己駁斥了自己原來(lái)的結(jié)論，依舊認(rèn)為它是角鯊總目的基干物種。盡管歸屬成謎，它依然被認(rèn)為是研究軟骨魚(yú)化石與演化的重要樣本，還被用于分子鐘的校對(duì)。但是，由于之前大多數(shù)分析原棘鯊演化關(guān)系的種系分類全部都是基于形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)的（顯然，人類還不足以復(fù)原它們那有著1.5億年歷史的基因組，能夠復(fù)原的最古老的DNA年齡僅為200萬(wàn)年），這使之前得出的一些演化關(guān)系結(jié)論廣受詬病。

• 開(kāi)創(chuàng)首例的新研究?A New Research that Made Use of New Techniques

近年來(lái)，為了使古生物物種的研究與逐漸占主導(dǎo)的分子演化研究相兼容，一種新的種系分類學(xué)研究方式：分子構(gòu)架限制法（molecular backbone constraint），逐漸被古生物學(xué)家所采納，用來(lái)更精準(zhǔn)的判斷古生物位于分子數(shù)據(jù)所支持的系統(tǒng)發(fā)生樹(shù)上的位置。這個(gè)研究方式，通俗點(diǎn)來(lái)講就是：利用先前研究中受分子數(shù)據(jù)支持（DNA序列）并構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)生樹(shù)構(gòu)架（即拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)），將古生物物種加入這個(gè)系統(tǒng)發(fā)生樹(shù)中，并比對(duì)其與所有其他物種的形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)，看看當(dāng)前的樹(shù)形結(jié)構(gòu)能否支持該物種的演化關(guān)系，即：與單系群內(nèi)的其他姊妹群具有相似的祖征（或稱為共有衍征，synapomorphies，被一個(gè)類群的共同祖先及其所有后裔共享的性狀）。這個(gè)方式曾被用于判斷海蛇、巨蜥與滄龍科，狒狒，地錢以及龜類的現(xiàn)生、已滅絕物種的演化關(guān)系。軟骨魚(yú)的研究則從未使用過(guò)。

于是，2022年，一個(gè)由維也納大學(xué)古生物學(xué)院，德國(guó)哥廷根大學(xué)，美國(guó)自然歷史博物館等機(jī)構(gòu)組成的團(tuán)隊(duì)，嘗試通過(guò)利用上文介紹的這種方式，來(lái)構(gòu)建軟骨魚(yú)類系統(tǒng)發(fā)生樹(shù)，并嘗試將原棘鯊并入這個(gè)發(fā)生樹(shù)，并辨認(rèn)出相關(guān)支系中支持該支系結(jié)構(gòu)的祖征（開(kāi)創(chuàng)了軟骨魚(yú)演化研究的先例）。他們首先取得了產(chǎn)自巴伐利亞州索倫霍芬石灰?guī)r層中挖掘到的四個(gè)保存完好的原棘鯊樣本，并對(duì)其中一些主要特征進(jìn)行測(cè)量。最終，一個(gè)涵蓋了52個(gè)軟骨魚(yú)物種，224個(gè)主要形態(tài)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的源矩陣得以建立，作為構(gòu)建演化關(guān)系和系統(tǒng)發(fā)生樹(shù)的輸入數(shù)據(jù)。其中，6個(gè)屬于真軟骨頭類（Euchondrocephali，即銀鮫和其他基干全頭類）的物種被選為系統(tǒng)發(fā)生分析的外類群，用來(lái)顯著辨認(rèn)剩余物種，增強(qiáng)分析的準(zhǔn)確度。

通過(guò)種系發(fā)生樹(shù)構(gòu)建軟件的建模和分析以及分子構(gòu)架限制的引入，所有現(xiàn)代物種位于系統(tǒng)發(fā)生樹(shù)中的位置按照Stein等人2018年制作的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)結(jié)構(gòu)而被固定，只有化石物種位置不被固定（也就是說(shuō)它們沒(méi)有分子數(shù)據(jù)，可以通過(guò)比對(duì)源矩陣中的形態(tài)數(shù)據(jù)來(lái)判斷其共有衍征，改變其在系統(tǒng)發(fā)生樹(shù)上的位置）。中間的分析過(guò)程不多說(shuō)，直接上結(jié)果：

如圖6所示，這項(xiàng)研究的多數(shù)原則一致演化樹(shù)（majority-rule consensus tree）中，鯊類、鰩類的三個(gè)總目被正常還原，且形成了鯊鰩姊妹群，與分子數(shù)據(jù)支持的結(jié)構(gòu)一致，并且原棘鯊成功與鋸鯊、扁鯊形成姊妹群。圖7所示的嚴(yán)格一致樹(shù)（strict consensus tree），大家可以理解為這個(gè)樹(shù)中所有涵蓋物種形成的樹(shù)形結(jié)構(gòu)要比多數(shù)原則樹(shù)擁有更高的統(tǒng)計(jì)學(xué)概率支持（即樹(shù)形結(jié)構(gòu)更可靠），原棘鯊在角鯊總目中的位置則相當(dāng)模糊，無(wú)法確認(rèn)所有目的分化順序。

• 討論：“鯊鰩姊妹”、三大總目、下口角鯊總目的可靠性以及原棘鯊演化歸屬?Discussion: reliability of "sister-group of shark & ray", three superorders and hypnosqualea as well as the exact evolutionary positioning of Protospinax

首先，這項(xiàng)研究大力的支持了之前分子數(shù)據(jù)的結(jié)論：鰩魚(yú)并非是高度特化的鯊魚(yú)，它們與鯊魚(yú)形成姊妹群。不過(guò)形態(tài)學(xué)的數(shù)據(jù)給定的支持稍微少了一點(diǎn)：支持鯊總目所有物種形成一個(gè)單系群的共有衍征僅為：牙齒具有三層釉質(zhì)，而現(xiàn)代鰩類的牙齒則僅有一層釉質(zhì)。顯然，我們還需要更多的形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)測(cè)量來(lái)兼容分子數(shù)據(jù)支持的演化關(guān)系。此外，根據(jù)嚴(yán)格一致樹(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，真鯊總目，角鯊總目和鰩總目的建立也得到了充分的形態(tài)支持，多個(gè)共有衍征良好的定義了這三個(gè)總目。例如，真鯊總目的共有衍征為：頜骨具有位于軟骨顱上的篩骨結(jié)合點(diǎn)，舌頜軟骨弓窩（hyomandibular fossa）位于內(nèi)耳區(qū)域前端，咽鰓軟骨叢形成一個(gè)刃狀結(jié)構(gòu)。角鯊總目則為：眼接型頜骨，三角形的眶后突起等。

最重要的部分，則是下口角鯊總目與原棘鯊的歸屬問(wèn)題了。此前在90年代，“下口角鯊總目”假說(shuō)被Shirai等人提出之后，支持這一假說(shuō)的是被下口角鯊總目各成員共享的8個(gè)共有衍征，例如枕骨部分（顱骨與脊柱相連的區(qū)域）不具有枕骨基部凹陷（basioccipital fovea）；并且具有退化的或缺失的枕骨半椎（也就是脊椎上的第一塊椎骨，嵌入枕骨下的棘孔中）；具有寬大的板狀的上神經(jīng)弓（supraneural）。然而根據(jù)本篇播報(bào)的更多結(jié)合現(xiàn)代CT掃描樣本和解剖的研究，這些性狀特征大多被證實(shí)不被原來(lái)的下口角鯊總目物種所共享，甚至具有更高的形態(tài)復(fù)雜性，例如枕骨半椎，多數(shù)角鯊總目物種都具有這個(gè)結(jié)構(gòu)且并未退化，僅有鰩類退化或缺失了該結(jié)構(gòu)。因此，形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)也具有足夠的證據(jù)將下口角鯊總目廢除。此前支持原棘鯊為下口角鯊總目的一些形態(tài)學(xué)證據(jù)也得到了重新解釋：例如其擴(kuò)張如板狀的第二背鰭前的上神經(jīng)弓（supraneuralia）和背鰭基板（basal plate of dorsal fin）可能是為了適應(yīng)底棲生活而獨(dú)立衍生的特征，并且一直延伸至其背鰭的腹面，與扁鯊和鋸鯊類似。因此，結(jié)合這些證據(jù)與之前通過(guò)系統(tǒng)發(fā)育軟件所得的一致演化樹(shù)，原棘鯊暫時(shí)被認(rèn)為與扁鯊和鋸鯊形成了一個(gè)姊妹群關(guān)系。

這篇文章通過(guò)引入結(jié)合分子數(shù)據(jù)和形態(tài)數(shù)據(jù)的新方法，為軟骨魚(yú)類演化提供了新的形態(tài)學(xué)論述支持。但這篇研究的許多短板也由此暴露出來(lái)：一些背景數(shù)據(jù)現(xiàn)在依然缺乏，例如：角鯊目形態(tài)上的共有衍征以及演化歸屬長(zhǎng)期受爭(zhēng)議的棘鯊（Echinohinus）的共有衍征，現(xiàn)存真鯊，雙髻鯊物種之間可以分辨的共有衍征。種種問(wèn)題導(dǎo)致在演化分析過(guò)程中，一些演化關(guān)系的先后分化順序難以得到解構(gòu)（由此各位可以看到，在圖7的嚴(yán)格一致演化樹(shù)中，角鯊總目，鰩總目?jī)?nèi)部各支系的演化關(guān)系是含糊不清的，形成了多個(gè)多分叉結(jié)構(gòu)（polytomy））。加上形態(tài)研究的結(jié)論會(huì)經(jīng)常變動(dòng)，總體上會(huì)隨著樣本的增多和研究方式的變更而被推翻或者延伸出新的結(jié)論。因此，對(duì)于讀者而言，相關(guān)類似的研究提供的結(jié)論將是暫時(shí)的，在傳播相關(guān)信息時(shí)要注意時(shí)效性，并且時(shí)刻關(guān)注最新的研究動(dòng)態(tài)。

在未來(lái)，或許隨著分子框架限制法的普及，以及更精確、廣泛的軟骨魚(yú)形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)的獲取，我們能離解開(kāi)軟骨魚(yú)類整體演化關(guān)系之謎的那一天越來(lái)越近。

（原文獻(xiàn)研究成果于2023年2月21日在MDPI下期刊“多樣性”上發(fā)表）

完

原文獻(xiàn)：

Jambura, P.L.; Villalobos-Segura, E.; Türtscher, J.; Begat, A.; Staggl, M.A.; Stumpf, S.; Kindlimann, R.; Klug, S.; Lacombat, F.; Pohl, B.; et al. Systematics and Phylogenetic Interrelationships of the Enigmatic Late Jurassic Shark Protospinax annectans Woodward, 1918 with Comments on the Shark–Ray Sister Group Relationship. Diversity 2023, 15, 311. https:// doi.org/10.3390/d15030311

參考文獻(xiàn)：

Consensus trees. (n.d.). Retrieved February 25, 2023, from https://assets.geneious.com/manual/2022.0/static/GeneiousManualsu122.html

Stein, R.W., Mull, C.G., Kuhn, T.S.?et al.?Global priorities for conserving the evolutionary history of sharks, rays and chimaeras.?Nat Ecol Evol?2, 288–298 (2018). https://doi.org/10.1038/s41559-017-0448-4