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西大古生物學(xué)家最新發(fā)現(xiàn)：4.7億年，深?！皫Т堂倒濉睂W(xué)會(huì)“化繁為簡(jiǎn)”
近日，西北大學(xué)師生與多個(gè)國(guó)際研究機(jī)構(gòu)專(zhuān)家合作
在漢中寧強(qiáng)發(fā)現(xiàn)中奧陶世黑珊瑚化石
揭示黑珊瑚的深時(shí)起源與演化之謎
4月17日的《中國(guó)科學(xué)報(bào)》三版頭條刊發(fā)長(zhǎng)篇報(bào)道
在4.67億年前的海底，一群長(zhǎng)著六只觸手的珊瑚蟲(chóng)正忙著“蓋房子”，它們通過(guò)分泌的幾丁質(zhì)軸骨連接，形成了茂密的黑色網(wǎng)格狀珊瑚。而今天的黑珊瑚卻形似“柳條”，枝條纖細(xì)而柔韌。
幾億年間，為什么會(huì)有這樣的變化？黑珊瑚是如何演變發(fā)展的？對(duì)此，西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系早期生命研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所及多個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)回答了這一演化之謎。
“我們的研究不僅確立了兩種新型黑珊瑚化石，填補(bǔ)了黑珊瑚演化史上的關(guān)鍵空白，還揭示其骨骼結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了一場(chǎng)‘化繁為簡(jiǎn)’的適應(yīng)性演變?！?/strong>論文通訊作者、西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系研究員韓健說(shuō)。
近日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《通訊生物學(xué)》。（點(diǎn)擊可查看原文）
奧陶紀(jì)縱棘硬黑珊瑚化石及其譜系演化
深海“帶刺玫瑰”之謎
現(xiàn)代黑珊瑚共有8科301種，75%生活在深海。不同于常見(jiàn)的珊瑚，黑珊瑚是一種分枝狀的群體型六射珊瑚，即組成它的珊瑚蟲(chóng)通常擁有六只觸手。
黑珊瑚非常漂亮，每個(gè)珊瑚個(gè)體枝干錯(cuò)綜復(fù)雜，如同帶刺的深海“黑玫瑰”。而這些“刺”位于“軸骨”，這是珊瑚蟲(chóng)分泌的一種用于連接的黑色幾丁質(zhì)中軸骨骼，上面布滿了許多縱向排列的骨刺。
黑珊瑚軸骨具有極強(qiáng)的抗腐蝕能力，理應(yīng)更易保存為化石。然而，人們?cè)诘刭|(zhì)記錄中發(fā)現(xiàn)的黑珊瑚化石卻極其稀少，因此它的演化歷程長(zhǎng)期成謎。
早在2011年，中國(guó)及波蘭科學(xué)家便聯(lián)手在距今約4.7億年的湖北奧陶紀(jì)地層中發(fā)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)全球唯一的黑珊瑚化石。該化石包括“匍根中華黑珊瑚”和“輻根硬黑珊瑚”兩屬兩種。
然而，由于二者表面特征與現(xiàn)代黑珊瑚差異顯著，因此學(xué)界對(duì)其分類(lèi)還存在質(zhì)疑。
“化解爭(zhēng)議的關(guān)鍵，在于能否找到這兩種化石與現(xiàn)代種的過(guò)渡類(lèi)型?！?/strong>韓健告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，其團(tuán)隊(duì)近期在距今約4.67億年的陜南寧強(qiáng)中奧陶世地層中發(fā)現(xiàn)了256枚短棒狀微體黑珊瑚化石，它們正好位于早奧陶世黑珊瑚化石與現(xiàn)代黑珊瑚之間的過(guò)渡環(huán)節(jié)。
參與該研究的波蘭合作者Andrzej Baliński回憶說(shuō)，2011年的那次發(fā)現(xiàn)是意外驚喜，畢竟當(dāng)時(shí)黑珊瑚在化石記錄中是一片空白。“從那時(shí)起，我們一直在思考這些珊瑚在漫長(zhǎng)歲月中經(jīng)歷了怎樣的演化歷程，如今在陜西發(fā)現(xiàn)的新化石，終于解開(kāi)了我們10多年前的困惑?！?/strong>
“化繁為簡(jiǎn)”是生存之道
通過(guò)高分辨率顯微CT技術(shù)，研究人員完整重建了256枚黑珊瑚化石的三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)，確認(rèn)它們分屬于兩種新型黑珊瑚化石——縱脊硬黑珊瑚和硬黑珊瑚未定種。
論文第一作者、西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系博士生郝文靜介紹，縱脊硬黑珊瑚的軸骨表面飾有多邊形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，脊呈多方向展布，但整體上具有平行縱軸呈縱向延伸的趨勢(shì)；而硬黑珊瑚未定種絕大多數(shù)脊的方向平行于長(zhǎng)軸方向，但仍有部分斜交。
“這兩種新發(fā)現(xiàn)的黑珊瑚類(lèi)型與湖北早奧陶世發(fā)現(xiàn)的輻根硬黑珊瑚均具有網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)，因此可被歸入一個(gè)新科——硬黑珊瑚科?！焙挛撵o說(shuō)。
從4.7億年前的輻根硬黑珊瑚，到4.67億年前的縱脊硬黑珊瑚和硬黑珊瑚未定種，再到如今的黑珊瑚，這是一條怎樣的演化之路？
團(tuán)隊(duì)在掌握已有化石證據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)國(guó)際合作，取得了美國(guó)史密森尼國(guó)家自然歷史博物館、德國(guó)巴伐利亞州立動(dòng)物學(xué)博物館此前共享的黑珊瑚模式標(biāo)本信息，并開(kāi)展進(jìn)一步的對(duì)比研究。
研究結(jié)果顯示，從早奧陶世至現(xiàn)代，這類(lèi)生物骨骼結(jié)構(gòu)發(fā)生了“化繁為簡(jiǎn)”的變化——一開(kāi)始呈現(xiàn)密密麻麻的“網(wǎng)格狀”，再到網(wǎng)格開(kāi)始縱向“拉伸”，最后變成如今幾乎只剩規(guī)則縱向排列的“樹(shù)枝狀”。
對(duì)此，郝文靜解釋說(shuō)，越古老的地層，黑珊瑚與骨刺相連的橫脊數(shù)量越少，伴隨脊的高度降低、骨刺與脊的延伸方向逐步趨于縱向排列，最終使得復(fù)雜網(wǎng)格結(jié)構(gòu)消失。
“網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可能有利于珊瑚蟲(chóng)的生長(zhǎng)、營(yíng)養(yǎng)共享以及抵抗水流和捕食者，但當(dāng)時(shí)海洋環(huán)境中的激烈生態(tài)競(jìng)爭(zhēng)促使黑珊瑚向上生長(zhǎng)?！表n健表示，揭示這種簡(jiǎn)化趨勢(shì)也為刺胞動(dòng)物演化及深海生物適應(yīng)性機(jī)制研究提供了證據(jù)。
繼續(xù)尋找趨同演化機(jī)制
在研究中，韓健還提出了一個(gè)創(chuàng)新性的觀點(diǎn)，認(rèn)為硬黑珊瑚的多邊形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或許與現(xiàn)代六射珊瑚硬珊瑚中的珊瑚杯類(lèi)似，后者是一種單個(gè)珊瑚蟲(chóng)底部和側(cè)部分泌的鈣質(zhì)底座。
“珊瑚杯的融合過(guò)程與奧陶紀(jì)黑珊瑚網(wǎng)格的簡(jiǎn)化模式高度相似，也許暗示兩類(lèi)珊瑚遵循著趨同演化機(jī)制。”他說(shuō)，這會(huì)是他們持續(xù)關(guān)注的方向。
現(xiàn)有研究表明，海洋中的直立分枝狀群體刺胞動(dòng)物，如水螅和八射珊瑚等，均起源于匍匐狀或毯狀的群體，而匍匐狀群體則由獨(dú)立生活的單體通過(guò)無(wú)性繁殖演化而來(lái)。
基于這一演化模式和六射珊瑚的譜系，研究人員推測(cè)，黑珊瑚可能經(jīng)歷了從單體到群體、從毯狀群體到直立群體的不同演化階段，但具體過(guò)程仍需更多化石證據(jù)支持。
“黑珊瑚大部分棲息在深海中，人們對(duì)它所知甚少，針對(duì)黑珊瑚化石的系統(tǒng)性研究近幾年才逐步展開(kāi)?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡?、中國(guó)科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所副研究員宋希坤告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，未來(lái)，他們將繼續(xù)尋找最早的黑珊瑚化石、在深淵海底尋找最深的現(xiàn)生黑珊瑚極限分布，以解開(kāi)黑珊瑚研究領(lǐng)域更具挑戰(zhàn)性的新謎題。
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