5億年前化石的發現揭示了被囊類動物起源的驚人秘密

卡瑪·南魯 (Karma Nanglu) 說，他最喜歡的動物就是他正在研究的動物。但他的最新主題可能會在一段時間內佔據第一地位：一塊 5 億年前的化石，來自奇特的海洋無脊椎動物群體——被囊動物。

哈佛大學有機體與進化生物學系博士後研究員南魯說：“這種動物的發現與我在山崖上懸掛或從直升機上跳下時發現的一些東西一樣令人興奮。它同樣很酷。”

在一項新研究中自然通訊南魯和合著者描述了這塊名為 Megasiphon thylakos 的新化石，揭示了祖先的被囊動物以靜止的、濾食性的成蟲形式生活，並且可能經歷了蝌蚪狀幼蟲的變態。

被囊動物是一種真正奇怪的生物，它們有各種形狀和大小，生活方式也多種多樣。成年被囊類動物的基本形狀通常是桶狀，有兩個虹吸管從其身體上伸出。其中一個虹吸管將水吸入通過吸力，允許動物使用內部籃狀過濾裝置進食。動物進食後，另一個虹吸管將水排出。

有兩種主要的被囊動物譜系：海鞘類（通常稱為“海鞘”）和闌尾類。大多數海鞘類動物的生命開始時看起來像蝌蚪並且可以移動，然後變形為具有兩個虹吸管的桶狀成體。他們在海底過著成年生活。相比之下，闌尾蟲在長大後仍保留蝌蚪的外觀，並在上層水域自由游泳。

“這種想法是，它們一開始是長得像蝌蚪的幼蟲，當準備發育時，基本上會用頭撞擊岩石，粘在上面，然後開始變態，重新吸收自己的尾巴，轉變成帶有兩個虹吸管的生物，這真是令人驚嘆，”南魯說。

有趣的是，被囊動物是脊椎動物的近親，其中包括魚類、哺乳動物，甚至人類。如果沒有蝌蚪的起源，很難想像這種長相奇怪的生物如何與脊椎動物有聯繫。被囊類動物與脊椎動物的密切關係使得研究它們對於理解我們自身的進化起源至關重要。不幸的是，這並不容易，因為整個化石記錄中幾乎完全不存在被囊類動物，只有少數化石令人信服地作為該類群的成員出現。

由於化石如此之少，科學家們主要依靠從現代被囊類動物中學到的知識。由於沒有人知道被囊動物最後一個共同祖先的形態和生態，科學家們只能假設它要么是一種有兩個虹吸管的底棲動物，如海鞘類，要么是一種自由游泳的動物，如闌尾類。

M. thylakos 具有海鞘類被囊動物的所有基本特徵，桶狀的身體和兩個突出的虹吸狀生長物。但該團隊最突出的特徵是化石身體上下延伸的暗帶。

袋囊藻的高倍圖像使研究人員能夠與現代海鞘類動物進行並排比較。研究人員使用現代被囊動物 Ciona 的解剖部分來識別 Megasiphon 暗帶的性質。比較結果顯示，海鞘的肌肉（使被囊類動物能夠打開和關閉虹吸管）與在這塊 5 億年前的化石中觀察到的暗帶之間存在顯著的相似性。

南魯說：“巨型虹吸管的形態向我們表明，被囊類動物的祖先生活方式涉及一種不動的成體，用它的大型虹吸管過濾進食。” “不僅發現了一塊被囊類動物化石，而且還為了解這一神秘群體的早期進化起源提供了獨特且無與倫比的視角，這真是太罕見了。”

M. thylakos 是迄今為止發現的唯一具有軟組織保存的明確被囊類動物化石。它是同類中最古老的，起源於猶他州中寒武紀 Marjum 組。 2019 年，合著者研究員魯迪·勒羅西·奧布里爾 (Rudy Lerosey-Aubril) 和哈維爾·奧爾特加·埃爾南德斯 (Javier Ortega-Hernández) 教授（均為有機體和進化生物學系）在參觀猶他州自然歷史博物館 (UMNH) 時，將這塊化石確認為被囊類動物。

“這塊化石立即引起了我們的注意，”奧爾特加-埃爾南德斯說，“雖然我們主要研究寒武紀節肢動物，如三葉蟲及其軟體近親，但巨管吸蟲與現代被囊動物在形態上的密切相似性太驚人了，不容忽視，我們立即知道這塊化石將有一個有趣的故事要講述。”

Marjum 地層的化石可以追溯到寒武紀大爆發後不久，寒武紀大爆發是地球歷史上最重要的進化事件之一，發生在大約 5.38 億年前。在此期間，最主要的動物群首次出現在化石記錄中，徹底改變了海洋生態系統。然而，儘管被囊類動物在現代海洋中種類繁多且豐富，但在寒武紀岩石中卻明顯缺失。

美國有許多保存完好的寒武紀化石遺址，但與加拿大伯吉斯頁岩和中國澄江的化石遺址相比，這些遺址常常被忽視。 “巨型虹吸管的發現完美地說明了為什麼哈維爾和我在過去十年裡一直在猶他州進行實地考察，”勒羅西-奧布里爾說。 “馬朱姆地層現在引起了我們所有的關注，因為我們知道它保存了動物群的化石，例如被囊動物或櫛水母，而這些動物在寒武紀化石記錄中幾乎完全不存在。”

分子鐘估計表明海鞘類起源於 4.5 億年前。然而，距今 5 億年的袋囊動物為了解古代被囊動物的解剖結構及其最早的進化史提供了最清晰的視角。值得注意的是，袋鼠提供的證據表明，大部分現代被囊動物的身體結構是在寒武紀大爆發後不久就已經形成的。

南魯說：“鑑於化石的保存質量和年代，我們實際上可以了解很多關於被囊類動物的進化歷史。” “這是一個令人難以置信的發現，因為在此之前我們幾乎沒有關於這個群體祖先生活方式的確鑿證據。”

今年春天再次收集了數百塊新化石後，研究人員確信馬朱姆地層才剛剛開始揭示其秘密。

由哈佛大學有機體與進化生物學系提供