中国科学家填补「从鱼到人」关键空白，一天发 4 篇 Nature，这一研究有多大的突破？

奋斗的小鸟

有颌类的出现与崛起是“从鱼到人”的脊椎动物演化史上最关键的跃升之一。然而，这一跃升具体发生在何时、何地、又是如何发生？化石实证的缺失使得有颌类的起源与崛起，过去一直笼罩在重重迷雾之中，有颌类在其出现的前三千万年一直是一个“幽灵支系”。日前，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所朱敏院士团队的重大发现发现，有望揭开这些谜团。
记者从中国科学院获悉，朱敏团队在重庆、贵州等地志留纪早期距今约4.4亿年的地层中发现“重庆特异埋藏化石库”和“贵州石阡化石库”，增添了我国又一个世界级的特异埋藏化石库，填补了全球志留纪早期有颌类化石记录这一“古生物学史上一个顽固存在的重大空白”，首次为有颌类的崛起与最早期辐射分化提供确切证据。英国《自然》杂志于9月29日以封面文章形式同期发表团队的4篇学术论文，集中报道了这批有关有颌类起源与最早期演化的研究成果。

原文地址：https://www.zhihu.com/question/556231691

大力水手

人类是由鱼进化来这早就是共识，那这一次的研究究竟突破了什么？
回答这个问题之前，我们先来看看，颌对我们的祖先究竟有多重要。

5.3亿年前的寒武纪，原始海洋是泛节肢动物的天下。
我们的祖先仅仅是类似于文昌鱼这样，几厘米长的底栖头索动物，以浮游生物为生[1]。在早期泛节肢动物的制霸下，瑟瑟发抖。



奇虾制霸下的皮卡虫

在不断被淘汰的过程中，活下来的祖先逐渐有了脊椎，以及一节一节的肌肉，化身成昆明鱼/海口鱼[2]。无颌的嘴，只能吸食食物。


所谓道高一尺魔高一丈，海口鱼还没有在原始海洋快活多久。
5亿年前，却出现了以麒麟虾为代表的真节肢动物[3]。


真节肢动物，具有分节的腿肢、硬化的表皮，愈合的头部。
全方位的优势，让它们开启了原始海洋的制霸时代。
随着进入奥陶纪后（4.8~4.4亿年前），整个原始海洋都变成了一片修罗场。
早期海洋的超级霸主——板足鲎（海蝎子）大约在4.7亿年前登场。
它们很快发展为庞大的家族，足足纵横了海洋上亿年，一直到泥盆纪才开始衰退[4]。


最大的莱茵耶克尔鲎，足足可以长到三米长。
凭借锋利的大型节肢，在原始海洋，它们可谓是所向披靡。



从左至右：板足鲎、巨型羽翅鲎、翼肢鲎、莱茵耶克尔鲎

除了节肢动物外，头足纲动物也不容小觑。
纵横海域的房角石可以轻松达到数米，最长甚至可达到10米左右：


在如此残酷海洋里，弱小的早期脊椎动物简直就是行走的食物。
我们的祖先被大量捕食灭绝，最终那些偶然进化出骨质甲胄的才得以苟延残喘，并发展出了早期无颌鱼中比较繁荣的大家族——甲胄鱼。


虽然盔甲可以为它们提供保护，但它们的头也与躯甲完全连为一体，再加上过于笨重的身躯让它们行动缓慢，且没有颌反击，如果遇到能咬穿它们盔甲的掠食者，它们唯一能做的就是任之宰割。
4.3亿年前，首先长到1米多长的秀山恐鲎，便对它们展开了无情的屠杀。



秀山恐鲎对盔甲鱼的猎杀

如果这些无颌鱼类，在此时还不能做出改变，等待它们的将只有“亡国灭种”。
终于，一个伟大的进化革命出现了。
它们牺牲了原本用于呼吸的第一鳃弓，演化出了颌。


颌出现过后，头部可以灵活转动，不仅它们的摄食能力变强了，有了反抗天敌的可能，而且还带动了身体各个方面的进化。
它们进化出了完全的偶鳍，运动能力大大提升。不仅能从天敌口中逃脱，还能更迅猛地捕食小型动物。


摄食和运动能力的加强，令早期鱼类逐渐大型化，大脑也变得更加发达，随着神经纤维的增长，为了保证神经信号的传输速度，促使了大脑高速信号通道——髓鞘的出现。


颌是如此重要，甚至当甲胄鱼进化为有颌、有完全偶鳍的盾皮鱼后，完成了彻底的逆袭，彻底主宰了志留纪和泥盆纪。
不仅让海蝎子衰落，甚至进化出了邓氏鱼这种早期海洋的超级霸主：



邓氏鱼，生活于泥盆纪，体长8~10米，重达4吨

从此以后，整个海洋迎来了鱼类的时代。
其实不仅仅是鱼类，它也是未来鱼类进化成更高等动物的基石。
这个进化革命究竟有多重要？
其实，第一鳃弓进化成颌，仅仅只是鳃弓进化的开始。


在随后的1亿多年，第2鳃弓、第3鳃弓、第4鳃弓……不断进化成高等脊椎动物身体的重要结构，例如舌头、中耳、咽喉、各类重要神经和血管等等。
尤其是舌头进化，保证了未来语言的出现。
鱼类的偶鳍，随着登陆逐渐进化成了我们的四肢，这又是我们未来能使用工具的基石。
而髓鞘的出现，又保证了未来能够支撑足够长的神经反射，足够发达和复杂的大脑。
语言、大脑、双手，是人类最为重要的三个东西。但如果下颌没有出现过，这些可能将不复存在。
甚至可以说，没有颌进化革命的第一步，陆地上的所有脊椎动物都将消失不见。即便在另外一个位面会有，那也会是另外一个我们完全未知的物种。
好了，说了这么多，终于到正片了。
从刚才的内容，大家已经知道了颌的重要性。
然而，颌是如何进化出来的，很长一段时间，在进化树上却是一个巨大的空白。
本次带着团队一天发4篇Nature的朱敏院士，其实早在成为院士之前，他就在有颌鱼起源的研究上，做出了奠基性的突破。
2013年，朱敏在《自然》杂志上，一作发表了一篇名为《A Silurian placoderm with
osteichthyan-like marginal jaw bones》的论文[5]，谷歌学术显示，该论文引用次数已经达到了272次。
这篇论文研究的主角，正是大名鼎鼎的初始全颌鱼。
初始全颌鱼生活距今4.19亿年前的志留纪，发现于云南曲靖郊外。
它的出现，不仅填补了鱼类从无颌到有颌的缺失环节，甚至可以说是改写了进化树。




正是因为初始全颌鱼的奠基，找对了方向，才有了今天4篇论文中的重大发现。
虽然初始全颌鱼填了一个大的空白，但无颌如何到初始全颌鱼依旧存在小的空白，而且其它的问题，诸如软骨鱼和硬骨鱼颌如何分别起源的问题，同样没能解决[6]。
随着分子生物学的发展，有研究者直接从遗传物质入手，发现有颌鱼类的起源不晚于奥陶纪晚期，也即4.5亿年前[7][8]。
从4.5亿年前到4.19亿年前，这个时间差达到3100万年，几乎横跨了整个志留纪。
这3100万年的空白时间，究竟发生了什么呢？
朱敏团队的近期研究，找到了部分重要答案。
这些研究成果如此重要，乃至于《自然》不惜进行了首页展现：


第一条鱼：奇迹秀山鱼[9]。


奇迹秀山鱼发现于重庆市兰多维列统特列奇阶，距今约4.36亿年，虽然相比起初始全颌鱼，它的颌骨结构更加的原始（颈关节不灵活），但却是完整的颌。它和初始全颌鱼同属于盾皮鱼，二者具有近亲关系。
这也说明，盾皮鱼这一支，颌骨的进化渊源是一脉相承的。
这个发现把有颌类的化石记录往前推了1100万，距离分子生物钟显示的4.5亿年已经越来越近。
第二条鱼：蠕纹沈氏棘鱼。


这是一种小型软骨鱼类，它是迄今发现最为完整的有颌软骨鱼类化石，距今4.23亿年。
第三条鱼：双列黔齿鱼[10]：


虽然大多数鱼类颌上已经没了牙齿，但早期的有颌鱼类是有牙齿的。而且也只有出现了颌才会具有相应特征的牙齿。虽然双列黔齿鱼并非发现的完整的颌，仅仅是23枚有颌类牙齿标本，但这足以证明双列黔齿鱼是有颌鱼类。它出现于4.39亿年前，虽然是软骨鱼，但却把有颌鱼类的最早化石证据往前推进了1400万年。
第四条鱼：灵动土家鱼[11]：


发现于中国重庆市兰多维列统特列奇阶，距今约4.36亿年。虽然灵动土家鱼是盔甲鱼类，属于甲胄鱼的一种，无颌鱼类，但它的发现，却为偶鳍的进化填补了关键的一环。
这条鱼身上发现了纵贯全身的腹侧鳍褶，为了附肢起源的“鳍褶理论”提供强有力的支持。而在之前，除了“鳍褶理论”还有鳃弓起源论。这个研究结果，同样改写了进化树。
新塑梵净山鱼[12]：



萌萌哒的鲨鱼祖先

新塑梵净山鱼是最古老的鲨鱼类软骨鱼类，距今4.39亿年，它的身体结构为软骨鱼形态学和发育学提供了第一个可靠数据，并且把软骨鱼出现的时间往前推进了2000万年。从某种意义上也可以说，几乎在有颌鱼类诞生的最早期阶段，鲨鱼这类软骨鱼类就已经出现了。
理论上，有颌鱼类产生的时间会比发现的先有化石更早一些，所以的确有足够的依据，判断有颌鱼类的确起源于奥陶纪末期，正在处于海蝎子巅峰时代。
或许也只有在那种巨大的逆境中，鱼类祖先才能开启一场前所未有的进化革命。
最后我们再来整体看着这4篇论文中的五条鱼。
第一篇论文，完全实锤的最早完整盾皮鱼和软骨鱼颌骨化石，这就是板上钉钉，毫无争议。而且有利于未来相关进化支的分类和溯源。
第二篇论文，虽然仅仅发现的是牙齿，但却把时间推到了4.39亿年前，具有发现时间上的前所未有的突破。
第三篇论文，基本实锤了偶鳍的起源和发生模式，同样是前所未有的突破。
第四篇论文，不仅发现了鲨鱼的最早祖先，而且和软骨鱼的起源发生了联系，同样很有价值。
这四篇论文的价值能登上《自然》毫无争议，而且的确值得一个首页。
其实不难发现，虽然朱敏团队的研究，让颌的进化溯源大大往前推进了一步，填了更多的空白，但其实依旧还有更小的空白还需要去填。
希望在未来，朱敏院士还有更大的突破，能建立一个完整的颌骨进化脉络，并且完全弄清楚软骨鱼和盾皮鱼的起源，以及与甲胄鱼的关系。
最后想说的是，古生物学上认错祖先是常有的事情。
就说认这五条鱼作为祖先，最终也会100%认错。很明显只有奇迹秀山鱼才是盾皮鱼，其它的都是软骨鱼，和我们的祖先没有任何的关系，甚至其中有一条是鲨鱼的祖先。
为什么说奇迹秀山鱼最后还是会认错呢？
因为奇迹秀山鱼往前的分子钟还有1000多万年，再加上早期盾皮鱼类也是一个大类群，随着未来相关化石发现得越来越多，它迟早也会被踢出人类祖先的预备团队。

继续前进

2个化石库，5种古鱼类，4.39-4.36亿年的历史，将完整的有颌类的化石记录向前推进了1100-1400万年。
2个化石库，是指发现于贵州省铜仁市石阡县雷家屯村溶溪组上部的“贵州石阡化石库”，和发现于重庆市秀山县涌洞镇、湖南省湘西土家族苗族自治州保靖县卡棚水库的“重庆特异埋藏化石库”。
其中，贵州石阡化石库，时代为志留纪早期兰多维列世埃隆期最晚期，约4.39亿年前，产出的主要是古鱼类微体化石，比如牙齿、鳞片、棘刺之类的。



贵州石阡化石库的地理位置和化石产出层位。图片来源：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05166-2

而重庆特异埋藏化石库，时代为志留纪早期兰多维列世特列奇期中晚期，距今约4.36亿年，产出的主要是古鱼类、节肢动物和藻类的宏体大化石，保存方式类似于澄江生物群。



重庆特异埋藏化石库的地理位置和化石产出层位。图片来源：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04897-6

5种古鱼类分别为新塑梵净山鱼（Fanjingshani renovata）、双列黔齿鱼（Qianodus duplicis）、蠕纹沈氏棘鱼（Shenacanthus vermiformis）、奇迹秀山鱼（Xiushanosteus mirabilis）、灵动土家鱼（Tujiaaspis vividus）。
这5种古鱼类中，前三种属于软骨鱼类干群（棘鱼类，红色），奇迹秀山鱼属于盾皮鱼类（橙色），灵动土家鱼属于甲胄鱼类（绿色）中的盔甲鱼类。



脊椎动物分类简图。

梵净山鱼、黔齿鱼产自贵州石阡化石库，沈氏棘鱼、秀山鱼和土家鱼产自重庆特异埋藏化石库。



5种古鱼类复原模型。新型梵净山鱼应该是新塑梵净山鱼。图片来源：https://k.sina.com.cn/article_1914880192_7222c0c0020019j3p.html

4.39-4.36亿年的历史，在这篇研究之前，人们发现的最早的完整有颌类化石产自我国云南曲靖关底组的潇湘动物群，距今约4.25亿年，对于有颌类起源的认知多来自于这个时代。而这次的发现把化石材料的年龄向前推进了1100万年和1400万年，也发现了更多样化的有颌类冠群和干群的化石，这对于我们了解有颌类起源的过程又向前了一步，我们与鲨鱼共同祖先的面貌，与邓氏鱼共同祖先的面貌，也变得更清晰了一些。
这些鱼类与今天我们的人类有什么关系呢？其实并没有直接的祖先关系，其中三种甚至与鲨鱼的亲缘关系更近，另外两种所处的时代和分类地位也决定了它们不是我们的祖先，所以认它们是祖宗的话是错误的。
但是这些鱼类对于了解我们的鱼类祖先，尤其是下巴起源之前和起源之后的祖先，有着十分重要的意义，就像你想了解你的10代以上的祖先，他可能没有直接的遗物保存下来了，但是你可以通过这个祖先的兄弟姐妹或者堂兄弟姐妹的家族保存下来的某些遗物，旁敲侧击，了解到你10代祖先的一些事情。这些鱼类化石就像是我们祖先在当时的近亲，我们可以通过研究它们的特征，来推断我们祖先的特征，当然对于那三种软骨鱼类来说，它们作为鲨鱼祖先的近亲，也有着对现生软骨鱼类十分重要的意义。
现在我们就看看这些鱼类对于了解我们的祖先有什么意义吧。
一、软骨鱼类

梵净山鱼（Fanjingshania）、黔齿鱼（Qianodus）和沈氏棘鱼（Shenacanthus）属于软骨鱼类，但要注意的是，它们并不属于软骨鱼类冠群（现生软骨鱼类比如鲨鱼、鳐鱼、银鲛的最近共同祖先及其所有后代），而是现生软骨鱼类起源之前便已存在的干群软骨鱼类-棘鱼类。
你可以理解成，它们与鲨鱼的亲缘关系比与人类的亲缘关系更近，它们是现生软骨鱼类的最近共同祖先更要遥远的祖先的近亲。
梵净山鱼（Fanjingshania）和黔齿鱼（Qianodus）均以微体化石为代表，它们产自贵州石阡化石库，距今约4.39亿年。
软骨鱼类-梵净山鱼




梵净山鱼的化石及其在身体上的位置。图片来源：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05233-8

梵净山鱼的化石包括大量的棘刺、头部骨骼与镶嵌物以及躯体鳞片，可以说是目前发现的最早的保存较为完整的有颌类动物。虽然不是完整的大化石，但是这些微体化石也最大程度上复原了梵净山鱼重要的解剖学特征。
梵净山鱼虽然属于软骨鱼类，但是它的鳞片同硬骨鱼类鳞片一样齿列具有重吸收特性，同时梵净山鱼的棘刺缺少齿质组织结构，这在软骨鱼类中从未见到过，要知道软骨鱼类的鳞片、棘刺与人类的牙齿有着相似的齿质和釉质结构。这意味着梵净山鱼可能是保存了大量有颌类冠群共同祖先原始特征的软骨鱼类，但另一方面它的形态与棘鱼类中的栅棘鱼目十分相似。这种既“原始”又“进步”的镶嵌式特征组合可能是奥陶纪晚期到志留纪早期有颌类快速辐射演化的结果。
文章：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05233-8
新闻：Ancient 'shark' from China may be humans' oldest jawed ancestor
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软骨鱼类-黔齿鱼



与梵净山鱼相比，黔齿鱼的化石就没有那么多了，以下颌最前端的牙齿-齿旋为代表，但别小看这一颗牙齿，这可是目前发现最早的有颌类牙齿化石，揭密了最早有颌类牙齿的生长结构和发育特征。系统发育分析认为，黔齿鱼与现生软骨鱼类的亲缘关系可能比梵净山鱼要更近一点，但仍属于软骨鱼类干群棘鱼类。
文章：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05166-2
新闻：Rare fossil teeth overturn long-held views about evolution of vertebrates
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软骨鱼类-沈氏棘鱼




沈氏棘鱼的化石与素描复原图。图片来源：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05136-8

与梵净山鱼和黔齿鱼这些微体化石为代表的鱼类不同，沈氏棘鱼（Shenacanthus）则是保存了较为完整的压膜与印痕化石，其产自重庆特异埋藏化石库，距今约4.36亿年。
与梵净山鱼和黔齿鱼相比，它与现生软骨鱼类的亲缘关系更近，但仍不属于软骨鱼类冠群。同时它是以完整的躯体大化石（整个一条鱼）的形式保存，而不是像梵净山鱼和黔齿鱼那样以微体化石的形式保存。沈氏棘鱼拥有类似盾皮鱼的包裹背部和肩带的大骨板，这是首次在有颌类冠群（软骨鱼类与硬骨鱼类的最近共同祖先及其后代）中发现这种原始的特征。这似乎意味着这种类似于盾皮鱼类“披盔戴甲”的祖征在软骨鱼类干群-棘鱼类中仍然存在。
不过“披盔戴甲”的特征是沈氏棘鱼与盾皮鱼类祖先趋同演化的结果还是对于盾皮鱼类祖先特征的保留呢？如果是对祖先特征的保留，为何比它分类位置更“原始”的棘鱼类没有保存这一特征呢？如果是趋同演化，现生软骨鱼类的祖先是否也拥有这一特征呢？还是沈氏棘鱼在志留纪早期的有颌类捕食压力下再次演化出了这一特征？
文章：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05136-8
新闻：Dawn of fishes: Early Silurian jawed vertebrates revealed head to tail
百科：蠕纹沈氏棘鱼_百度百科

二、盾皮鱼类

盾皮鱼类-秀山鱼




秀山鱼化石与结构恢复示意图。d图中的Nu和Pnu与后来有颌类的枕骨有关。图片来源：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05136-8

秀山鱼（Xiushanosteus）属于盾皮鱼类，与沈氏棘鱼（Shenacanthus）一样其产自重庆特异埋藏化石库，距今约4.36亿年。
秀山鱼是目前发现的最早的盾皮鱼类大化石。盾皮鱼类属于有颌类，但是它们并不属于有颌类冠群，而是有颌类的有颌干群，在分类上它们比我们和鲨鱼的最近共同祖先还要远。
秀山鱼有一个重要的特征就是没可活动的颈关节，其头部与躯干连为一体，不能活动，这与更为“原始”的鱼类甲胄鱼类十分相似，而与绝大多数有颌类不同。不过秀山鱼的头甲中间有一道横向的裂隙，这允许它们的头部前端可以抬起从而完成呼吸与摄食活动，这道裂隙分离出向后的骨片成为了人类枕骨的雏形，摸摸你后脑勺下方的突起，那里就是枕骨，枕骨与颈部相连，可以说没脖子的秀山鱼却对我们的脖子有重要的演化意义。
文章：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05136-8
新闻：Dawn of fishes: Early Silurian jawed vertebrates revealed head to tail
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三、甲胄鱼类

甲胄鱼类-盔甲鱼类-土家鱼




土家鱼化石与腹部的鳍褶示意图。图片来源：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04897-6

土家鱼（Tujiaaspis）属于甲胄鱼类中的盔甲鱼类，与沈氏棘鱼和秀山鱼一样，其产自重庆特异埋藏化石库，距今约4.36亿年。
土家鱼所属的甲胄鱼类，是无颌鱼类，但是它们是有颌类的无颌干群，也就是说与七鳃鳗盲鳗这些现生无颌类相比，它们与现生有颌类的亲缘关系更近，但仍然没有颌这一关键的特征，它们比盾皮鱼类的分类位置更加“原始”。
盔甲鱼类是研究颌起源的重要的甲胄鱼类，我们关于有颌类颌起源模式的化石证据均来自盔甲鱼类。但是在分类上，具有偶鳍的骨甲鱼类与有颌类的亲缘关系更近，盔甲鱼类由于一直未发现完整的躯干化石，所以关于其是否拥有偶鳍一直存在疑问。
这次发现的土家鱼类，腹部保存了一对纵贯全身的腹侧鳍褶，由一系列V形外骨骼骨单元排列组成，并没有发现肌肉和内骨骼支撑，鳍褶从头后部一直延伸到尾尖，这为脊椎动物成对附肢起源的“鳍褶理论”提供了非常关键的化石证据。同时功能分析研究表明，这对鳍褶可能起到在近水底游泳时，利用身体与水底之间的水流产生升力的作用，可以用于在水中“滑翔”，而不是增强尾部的推力或控制方向。不过这是否能反应偶鳍雏形的祖先功能呢？还是土家鱼特化的结果？这可能需要更多的化石证据加以佐证。
文章：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04897-6
新闻：Dead fish breathes new life into the evolutionary origin of fins and limbs
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总结

这次发现的5种新鱼类，对于我们认识有颌类的早期演化十分重要。在此之前，世界上产出完整有颌类化石的最早的化石库是云南曲靖关底组的潇湘动物群，距今约4.25亿年，贵州与重庆这两个化石库则比潇湘生物群要早1400和1100万年。
与潇湘生物群不同的时，这次发现的5种古鱼类化石中软骨鱼类大放异彩，有三种属于软骨鱼类，而潇湘生物群则是硬骨鱼类和全颌盾皮鱼类的的天下，其中甚至已经出现肉鳍鱼类，它们的体积也比这5种古鱼类大得多，已经可以达到几十厘米的级别，而这次发现的5种古鱼只有数厘米长。



潇湘生物群，大型鱼类，从上到下：宏颌鱼、全颌鱼、甲鳞鱼。细小的是牙形类（一类无颌类）。图片来源：https://doi.org/10.1371/journal.pone.0170929

和这5种鱼类同期的志留纪早期的硬骨鱼类是什么样子呢？希望未来有更多的化石发现能为我们带来解答。
这些志留纪早期的鱼类，一个个都长得浑身都是刺，要不然就身披重甲，可见在脊椎动物演化的早期阶段以及有颌类起源之时脊椎动物面临的捕食的压力是多么的大，这种捕食压力有可能来自无脊椎动物顶级捕食者，比如板足鲎，也有可能来自其他有颌类脊椎动物，最近的一项研究认为颌的起源就是为了捕食其他动物[1]。可能正是这种捕食压力，促使了我们今天人类身体上骨骼雏形的形成。
不过，有颌类的早期分异事件，主要发生在晚奥陶世，现生有颌类冠群的起源时间在4.6-4.5亿年前，但包括盾皮鱼类在内的有颌类起源要更早，要是包括甲胄鱼类在内的有颌类全群，那起源可能要追溯到寒武纪晚期到奥陶纪早期，这种数千万年的时间差异，是否会影响我们对于志留纪化石的认识，毕竟古生物除了保存有祖先状态能让我们一探祖先的面貌以外，在漫长的演化过程中，它们也会演化出自己独特的特征，想要识别这些“衍征”和“祖征”，从而重建从鱼到人中有颌类起源阶段完整的历程，这可能需要更多的更加古老的化石标本。
综合新闻：
夯实“从鱼到人”演化路径，我国科学家填补“一个顽固存在的重大空白”_化石_脊椎动物_重庆
齿与颌：志留纪鱼类化石揭示有颌脊椎动物崛起与最初辐射分化----古脊椎动物与古人类研究所
我国科学家在“从鱼到人”探源研究取得重大突破
我国再添世界级化石库，填补“从鱼到人”演化史关键空白
“从鱼到人”演化过程长达5亿年左右 化石揭秘人类演变史
【香港文汇报】中国科学家填补从鱼到人关键空白----古脊椎动物与古人类研究所
央视新闻给你发来一条消息
最早长牙的鱼：“从鱼到人”探源研究取得重大突破
【人民日报】我国科学家在“从鱼到人”探源研究取得重大突破----古脊椎动物与古人类研究所
【新华社】远古发现丨4.4亿年前鱼类化石揭示有颌脊椎动物的崛起----古脊椎动物与古人类研究所
【央广网】“从鱼到人”探源研究取得重大突破----古脊椎动物与古人类研究所
【中国新闻网】4亿多年前这5种鱼拨开“从鱼到人”关键演化的重重迷雾----古脊椎动物与古人类研究所
【科学网】一日连发4篇Nature！这个中国团队也曾遭遇3轮毙稿----古脊椎动物与古人类研究所
Fossils reveal the deep roots of jawed vertebrates
The Rise of Fishes Illuminated by Discovery of Fossil "treasure hoard"----Chinese Academy of Sciences

同花顺

不仅仅是鱼到人，恐龙也得起来磕个头，大熊猫、东北虎、大白鲨手牵手来给老祖宗上香。
这个研究，如果你想找和我们人类相似的，大概也就是
1，脊椎 （这个鱼是脊椎动物）
2，上下巴（上颌和下巴，也是本次主要发现，有颌类）
3，脖子（秀山鱼是过渡类型，有了一道裂缝可以让头活动，而这以后会是脊椎动物的脖子）。

其他就别想了，这可是4.4亿年前啊，而我们哺乳类占据生态位，这期间要经历：鱼类走上陆地，爬行类统治地球这4亿年，直到白垩纪末期，也就是6000万年前，而那个时候，我们人类的祖先大概还只有老鼠大小，长得也和松鼠也挺像。
所以你要想寻找现代人类的痕迹，可能从它身上更容易些。



这种填补进化史空白的发现，自然值得4篇Nature，也值得一个封面


说一下这个研究到底发现了什么？
简单地说，就是发现有颌类起源的证据。
啥叫有颌类？
通俗的理解就是嘴分为上下两部分，就是上颌和下巴（也有人叫上巴和下巴，反正是对应的，开心就好），这个结构在学术上叫颌，你想一想，是不是自然界中好多生物都是这种嘴结构？


对，没错，在我们常见的脊椎动物里，99.8%的都属于这一类，就是有颌类。
ps：颌是指构成口腔上部和下部的骨头和肌肉组织。上部叫上颌，下部叫下颌。
但是因为对于更古老的动物来说，肌肉组织形成化石太难了，所以一般更关注骨骼结构留下的化石。
上下巴这种叫法，开心就好，反正本来叫上颌下颌，人类把下颌叫下巴，那上颌叫上巴好像也没毛病。

既然能够在脊椎动物如此广泛的分布，那么一定有一个很早的起源。
在这之前，科学家们发现了两类生物。
1，无颌类
这是最古老的动物种类，就是没有上下颌。
2，已经完全有了上下颌的
这是后来几乎所有脊椎动物的类型，基本上都是这种上下嘴的类型。

那这个过渡阶段是啥？

这就是本次研究的发现，找到了这个过渡类型。
下图就是我们需要寻找的过渡类型示意（注意，图中黄色那个东西不是颌，是头盖骨）



而这次科学家们，在重庆秀山找到了这种罕见的过渡阶段存在。这是发现的地方，重庆秀山。其中
c图是当地地质环境示意图，D图是想象中当年埋葬这些鱼类的过程



在这个地方，找到了完整的鱼，也就是奇迹秀山鱼。如下图，左侧是化石，右侧是结构解析。


这种鱼，相比于以前的鱼，大不一样了，就是多了点结构，那就是颌。
不过也真佩服做地质的科学家，这都能看出来，当然，他们是借助了很多高超工具进行解读，比如高精度CT扫描、精细三维重建、扫描电镜元素分析、全光位图像、多元统计分析在内的多种手段，最终才发现了这些真相。
就像下图这样子，就是 MicroCT scanning逐步扫描发现结构的过程。


而复原起来，就是下面这个样子。


来在回顾一下这个过程，最开始的嘴是没有颌的，只有头上一块头骨，硬硬的，
然后长出了上下巴两块骨头，从此上下吧开合就可以更好的咀嚼食物了。



此外，这个秀山奇迹鱼还是很特殊的，那就是，它的脖子是个过度阶段。

成熟的有颌类是有可以活动的颈关节，大家想想下自己可以随时扭头对吧，这就是颈关节在发挥作用。
而完全的无颌类，则是不能活动的。
比如甲胄鱼，头部是不能扭动的，想调头调整方向，那就几乎要驱动整个上半身来动弹。



但是奇迹秀山鱼是介于二者之间。
不能全动，也不是完全不能动，而是头甲中间有一道横向的裂隙，这可以一定程度上起到颈关节的作用。


这样他的头就可以相对于身体单独的动了，捕食就更加方便了，图中那个秀山鱼头顶这道裂隙前的骨片，对应的就是咱们人类的枕骨。


有时候想想，咱老祖宗当年可是耗费了千万年才成功的长出了脖子，这过程要经历头盔裂开的过程，只为了让头部动起来，这样才能上下活动呼吸捕食。
可是今天咱们人类啊，一直盯着屏幕维持一个角度，来了个复古动作，这和无颌类不能动头很类似了，结果还搞出了颈椎病，感慨哪。


这种超遥远时代的发现，是非常依赖于化石的，所以每次发现化石群，那绝对是一个巨大的推动，而且这东西，还是可遇不可求的。这发现对应这个时间段，很多时候就是全世界独一份。
这次重庆生物群，是继继澄江生物群、热河生物群之后又一次重大发现，未来估计还能诞生一大堆重大发现。

对了，古生物学属于地学领域哈，有兴趣的，可以试试眼力。
当然这个地方其实发现了还有很多，如下图，看看你的眼力，能不能从左边的化石里认出动物并将其对应在右图？

感恩由您

看了好多评论感觉好多人没有了解其中的科学逻辑，甚至一些媒体也没有了解内涵，断章取义。
填补从鱼到人的演化空白这句话应该是有一定的铺垫的。我们首先要了解从鱼到人的演化主线，其次再去了解为什么这次的研究填补了从鱼到人的关键演化空白。
首先由鱼到人的演化他不是很多人理解的"人是由鱼演化来的"，所以这类人会提出疑问不是说人是由猿演化而来的吗？怎么现在变成了鱼？这里面最大的问题就是普通大众了解的"演化"和科学家口中的"演化"完全是两个东西。
科学家嘴里的由鱼到人的演化是指的脊椎动物(包括鱼类，两栖类，爬行类，哺乳类，鸟类)他们都是由最早演化出脊索(脊椎的初始形态）的祖先类群(一种非常原始的无颌鱼类，它们的形态与现在的文昌鱼更接近)演化而来的。即天下第一鱼昆明鱼和海口鱼(该项研究成果是由我国西北大学舒德干院士团队基于云南寒武纪澄江化石库中保存精美的化石标本发现的，也是好多篇nature文章 ) 昆明鱼和海口鱼无疑是最早演化出脊索的动物，当之无愧是脊椎动物的祖先。
继昆明鱼和海口鱼之后，无颌鱼类经历了较长时间的演化。
而本次朱敏院士团队在重庆秀山，贵州石仟发现的两个志留纪早期鱼化石库则保存了大量精美的有颌类鱼化石和无颌类鱼化石标本，填补了无颌类到有颌类演化的空白，也首次证实了成对附肢(鱼的偶鳍，四足动物的四肢，恐龙的爪子，鸟类的翅膀，人的手）的关键演化环节(即鱼类偶鳍的起源问题)。所以说本次4篇nature 填补了从鱼到人的关键演化空白。
到这里还要补充的是，这些无颌鱼类经历了相当漫长的时间才演化出了有颌鱼类。注意: 颌(通俗的讲就是 下巴）的出现绝对是脊椎动物进化史上最大的革命性创新，颌的出现让获取食物变得更加容易。本次朱院士的nature 文章以及之前的研究正是在无颌类到有颌类的关键演化环节做了大量研究工作。
鱼类又分硬骨鱼和软骨鱼(鲨鱼这些)，而硬骨鱼中的一支叫 肉鳍鱼类(鱼鳍外部有肌肉，内部有骨骼)在泥盆纪末期登上了陆地，是两栖类动物的祖先类群。
之后的故事大家更加耳熟能详了，随着羊膜卵的出现，一部分四足动物摆脱了水环境，彻底上岸了，它们便是爬行类的祖先类群。
这些羊膜卵四足动物演化出两个主要支系——蜥形纲和合弓纲。前者包括现生爬行动物及其祖先；鱼龙、翼龙等叱咤中生代海洋和天空的灭绝动物；还有大家熟悉的明星——恐龙及它的鸟类后裔。后者就是我们哺乳动物的祖先类群。
它们曾在二叠纪到三叠纪早期先于恐龙统治着整个大陆，后来由于二叠纪大灭绝和三叠纪晚期大灭绝事件的连续打击，日渐式微，被蜥形纲夺去统治地位。虽然只能缩小体型战战兢兢地生活在恐龙的阴影之下，但我们的祖先没有放弃努力。它们不断强化自身本领，陆续演化出哺乳、胎生、热血等特征，等待着时机到来。
6600万年前一颗小行星撞击地球，结束了以恐龙为代表的蜥形纲的统治，空出的生态位被哺乳动物迅速填补。此后的6000多万年里，哺乳动物不断演化，逐步占领了世界。再之后，700万年前的非洲东部，灵长类动物中的一支——类人猿与黑猩猩在演化路上分道扬镳，它们跳下树冠，学会了直立行走、制造/使用工具和使用火。最终，在200万到1万年前，这些原始人类走出非洲，迁徙到全球各地，演化成了手拿手机、眼瞪屏幕的我们。
故事到这里就结束了。这也就是为什么说 从鱼到人的演化。我们人类身上的所有特征都是那些不起眼的祖先类群在经历了亿万年的艰苦探索，得到的"最优"解。

检验医师

邀请了研究团队的罗彦超老师，回复了评论区的几个问题：
问：当我们吃鱼时，是吃自己的祖先吗？
答：答案当然是否定的。人类与现生鱼类的关系更类似于在四亿年前分家的超远房亲戚，我们在久远过去的某个节点一定拥有一个共同的祖先，但人类和现生的鱼类选择了两条截然不同的道路，并各自演化到今天。我们与现在日常食用鱼类的“亲戚关系”已经非常单薄了，在“辈分”上，说是平辈也不为过。
问：为什么新闻里古生物学家的工作场景经常在公路边？这和我想的不一样啊！
答：首先是方便，现代的野外工作总体上是以车辆为主要交通工具，在路上一边开车一边快速的“扫射”地层是很多地质人的常用技能。其次，在地质工作中有句老话叫做“逢沟必断”，意思是，总体上呈水平沉积的地层总会在深沟处破损，易发育断层。虽然这句话在实际工作中不一定对，但断面的存在确实能让我们更加轻易地对地层进行研究。这也是为什么古生物学家经常出现在建筑工地与公路等能露出岩层的地方。
问：除了这次的5条鱼，还挖出了其它化石吗？
答：除了本次见刊的五个新物种外，还有同期发现的十余种全新的鱼类属种正处于整理与研究阶段。在可预见的未来，相信会有更多来自华南的研究成果进一步填补脊椎动物演化史的空白。
<hr/>“如果没有颌，生命将不可想象；没有它，巨大的噬人鲨、凶残的恐龙、狰狞的剑齿虎和喋喋不休的人类将一无是处。颌的起源可能是脊椎动物进化史上最为重要和意义深远的一次演化事件。”
“颌”是什么？颌就是可以上下开闭的嘴巴。颌骨就是上颌与下巴。



侵删……

4.5亿年前，一些原始的脊椎动物发育出了上下颌，大大提高了取食和适应能力。有颌脊椎动物迅速向更广阔的生态位辐射演化，演化出包括人类在内的绝大多数脊椎动物。
可以说，有颌类的出现与崛起是“从鱼到人” 的脊椎动物演化史上最关键的跃升之一。
然而，这一跃升具体发生在何时、何地、又是如何发生？长期以来缺乏关键的化石证据，科学家很难对有颌脊椎动物的早期演化史进行重建。
怎么办呢？
把4.4亿年前的老祖宗挖出来看看！




奇迹秀山鱼三维复原（拟石科技制作）



蠕纹沈氏棘鱼三维复原（拟石科技制作）



灵动土家鱼正型标本照片（彭礼健摄）及解释性素描（史爱娟绘）



双列黔齿鱼三维复原（拟石科技制作）



新塑梵净山鱼三维复原（拟石科技制作）

9月29日，《自然》杂志以封面文章形式同期发表中国科学院古脊椎动物与古人类研究所朱敏院士团队的4篇学术论文，集中报道了一批有关有颌类起源与最早期演化的研究成果，填补了全球志留纪早期有颌类化石记录的空白，首次为有颌类崛起与最早期辐射分化提供确切证据。

从鱼到人——鱼类的黎明
https://www.zhihu.com/video/1558788508894060544
视频制作：拟石科技/ScienceApe
一个空白

包括人类在内，地球上现存99.8%的脊椎动物都具有颌骨，统称为有颌脊椎动物或有颌类。有颌类的出现与崛起是“从鱼到人” 的脊椎动物演化史上最关键的跃升之一，人类的很多重要器官与身体构型都可追溯到有颌类演化之初。
然而，有颌类直到志留纪晚期（4.25亿年前）才出现较完善的化石记录，而分子钟推断的有颌类起源时间不晚于4.5亿年前的奥陶纪晚期，因此，有颌类的早期演化存在一段至少绵延三千万年、横跨整个志留纪的巨大空白。
古脊椎动物学巨擘阿尔弗雷德·罗美尔曾经将其称为“古生物学史上一个顽固存在的重大空白”（“A persisting major gap in our paleontological record”, A.S. Romer, 1967, Science）。
由于这个空白的存在，尽管我们知道有颌类在志留纪已经存在，但对它们到底长什么模样，有多大，处于什么生态位，彼此之间如何演化等问题一无所知，甚至不能确定志留纪地层中发现的零星棘刺、鳞片是否属于有颌鱼类。
化石实证的缺失使得有颌类的起源与崛起（脊椎动物演化史中最关键的跃升之一）过去一直笼罩在重重迷雾之中，有颌类在其出现的前三千万年一直是一个“幽灵支系”。
两个化石群

近十年来，朱敏团队踏遍我国志留纪地层可能含鱼的二百多个地点，终于在华南志留纪早期地层中发现“重庆特异埋藏化石库”和“贵州石阡化石库”，发现大量特异埋藏保存的完整志留纪早期鱼类化石，找到了破解有颌类崛起与最初辐射分化之谜的钥匙。







科研团队野外科考照片

“贵州石阡化石库”时代为志留纪兰多维列世埃隆期最晚期，约4.39亿年前，含有数量多、保存好的有颌类微体化石，其中含有所有有颌脊椎动物中已知最古老的牙齿。
“重庆特异埋藏化石库”时代为志留纪兰多维列世特列奇期，约4.36亿年前，是目前世界上唯一保存志留纪早期完整有颌类化石的特异埋藏化石库，堪称“鱼类的黎明”。
这是继澄江生物群、热河生物群之后，又一个在我国发现的、为探索生命之树演化重要节点提供大量关键证据的世界级特异埋藏化石库，将完整有颌类的化石记录前推了1100万年，将若干人类身体结构的起源追溯到4.36亿年前的化石鱼类中。
重庆特异埋藏化石库中发现的古鱼化石不仅数量众多、种类齐全，而且保存十分完整、精美，我们得以一窥志留纪初期脊椎动物特别是有颌类的全貌。



《Nature》封面：中国志留纪早期（兰多维列世，约4.4亿年前）五种古鱼的三维复原(沈氏棘鱼, 梵净山鱼, 黔齿鱼, 土家鱼, 秀山鱼, 自上而下) （拟石科技制作）

五条鱼

还记得开头的那5条鱼吗？这次的研究成果展示了一批保存完好的鱼类化石。
团队应用高精度CT、性状大数据分析、流体动力学模拟等新技术新方法，向世界首次展示出最早有颌类的牙齿、头部、身体以及偶鳍的雏形等过去完全未知的最早有颌类身体结构与解剖学信息，为解答 “从鱼到人” 探源最初阶段的一系列重要科学问题提供了确凿证据，改写了有颌脊椎动物早期演化历史的各个方面。
下面我们介绍一下本次亮相的五种鱼
1.有颌的奇迹秀山鱼
（Xiushanosteus mirabilis）



奇迹秀山鱼三维复原（拟石科技制作）

命名故事：秀山以发现地命名；奇迹指志留纪早期完整有颌鱼类奇迹般的发现。
属于盾皮鱼类，在时代上大大靠近有颌类的起源时间点，它糅合了多个“盾皮鱼”大类的特征。因此它与后来其他盾皮鱼类共享的特征，很可能是有颌类的原始特征。
除此之外，秀山鱼还拥有一些在演化上有重大意义的特点，比如，绝大多数有颌类都有可活动的颈关节，而无颌的甲胄鱼类则头与躯甲连为一体，不能活动。秀山鱼虽然是有颌类，但它的颈部几乎不能活动。
所有秀山鱼标本均显示它的头甲中间有一道横向的裂隙，在功能上代偿不可动的颈关节，使得头能在呼吸和摄食时抬起与落下。
这道裂隙将在硬骨鱼中形成新的头-颈界线，使得其后的骨片从颅顶分离出去，人类与颈部相连的枕骨即由秀山鱼头顶这道裂隙前的骨片（中央片，或称后顶骨）演化而来。
2.有颌的蠕纹沈氏棘鱼
（Shenacanthus vermiformis）



蠕纹沈氏棘鱼三维复原（拟石科技制作）

命名故事：沈氏是为了纪念著名作家沈从文，化石发现地在他最著名的小说《边城》原型附近；蠕纹指这条鱼大块骨板上蠕虫状纹饰。
它是迄今所知最早的保存完好的软骨鱼，成为揭示软骨鱼类起源的决定性证据。
它的身体轮廓、大体形态、关键特征均与早期软骨鱼类——棘鱼类相似，但与其他棘鱼相比，它更接近鲨鱼等典型的软骨鱼类，它的棘刺非常少，只在背鳍前端有棘刺。
更为令人惊讶的是，沈氏棘鱼竟然拥有盾皮鱼类才有的、连续包裹着整个肩带和背部的大块骨板，这是非常原始的特征，过去从未在任何软骨鱼类或硬骨鱼类中发现过。沈氏棘鱼的发现意味着，看似柔韧灵活的鲨鱼、鳐鱼等软骨鱼类，竟然有“戴盔披甲”的直系祖先。
整个古生物学史的大部分时间，以鲨鱼为代表的软骨鱼类一直被认为是有颌脊椎动物的原始状态和演化“原型”。早期研究者曾经认为，盾皮鱼类和硬骨鱼类可能起源自类似鲨鱼的祖先。
近年来的一系列研究，特别是本次沈氏棘鱼的发现，有力地证明了事实恰恰相反，鲨鱼的软骨是次生退化而来，软骨鱼类起源于“披盔戴甲”的盾皮鱼类。
3.无颌的灵动土家鱼
（Tujiaaspis vividus）



灵动土家鱼正型标本照片（彭礼健摄）及解释性素描（史爱娟绘）

命名故事：属名“土家”主要取自化石发现地湘西土家族苗族自治州和秀山土家族苗族自治县中的土家族；而种名“灵动”，则取自该鱼在死后埋藏的时候恰好保存了一个“鲤鱼跃龙门”的姿态，非常灵动。
脊椎动物的成对附肢的起源是重要的生物演化创新事件，这是脊椎动物演化史第一次拥有可以自由活动的成对肢体，从而大大增强了运动的机动性和灵活性。因此, 有关脊椎成对附肢起源的问题，跟颌的起源一样，也一直是演化—发育生物学的热点问题。
目前已经有充分胚胎和化石证据证明包括我们人类在内的四足动物的四肢是从鱼类的偶鳍（胸鳍和腹鳍）演化而来，而关于鱼类偶鳍起源的理论模型，长期来学术界主要有两种流行的学说在争论不休：“鳃弓假说”和“鳍褶假说”。
在灵动土家鱼的腹部发现一对纵贯全身的腹侧鳍褶，这一发现为脊椎动物成对附肢起源的“鳍褶理论”提供了非常关键的化石证据，而且与现代分子发育生物学的数据高度吻合。
古生物化石证据与发育生物学的交叉印证，使得脊椎动物成对附肢的起源研究跟颌起源研究一样成为演化-发育生物学的一个经典案例。

4.有颌的双列黔齿鱼
（Qianodus duplicis）



双列黔齿鱼三维复原（拟石科技制作）

命名故事：属名中“Qian”取自贵州省简称“黔”的拼音，-odus是希腊语牙齿的后缀；种名“duplicis” 源自拉丁语duplex，相当于英语中的double，意指该属种的齿旋具有一对主齿列。
它的发现是非常罕见的。团队在贵州志留纪早期地层中开展了十余年的野外工作，终于在2019年在石阡志留系下红层溶溪组中取得突破，在从野外采回的近4吨鱼类微体化石样品中，前后共发现23枚有颌类牙齿标本，其年代可以追溯至约4.39亿年前。



双列黔齿鱼齿旋数字复原，侧面观

这些牙齿是迄今为止有颌类出现的最早、最直观的证据，将牙齿的最早化石记录前推了1400万年。系统发育分析，表明双列黔齿鱼隶属软骨鱼类全群，支持了在奥陶纪生物大幅射时期（约4.85至4.5亿年前）出现有颌脊椎动物的认知。
5.新塑梵净山鱼
（Fanjingshania renovata）



新塑梵净山鱼三维复原（拟石科技制作）

命名故事：属名Fanjingshania源自佛教名山梵净山，与化石发现点同处黔东北，种名renovata是英文renewal的拉丁语化，译为“新塑”，意指这个物种膜质骨骼的再生发育机制。
新塑梵净山鱼代表了最早的具有关联结构的有颌类。团队将其归入软骨鱼类干群—栅棘鱼类之中，正是古老的鲨鱼近亲。新发现显示，早在志留纪早期，原始软骨鱼类已经演化出典型的栅棘鱼形态，同时具有硬骨鱼类的组织学特征。
研究结果将没有争议的软骨鱼类的最早出现时间前推至志留纪早期，还表明硬骨鱼类干群在志留纪早期也应出现。为有颌类在志留纪早期就开始了辐射演化提供了强有力的支持，也使得有关奥陶纪、志留纪鱼类鳞片和棘刺化石分类位置的争论有了明确的解答。
无数个未来……

“重庆特异埋藏化石库”和“贵州石阡化石库”的发现在古生物学史上第一次大规模展示了志留纪鱼群特别是有颌类的面貌，揭示了早期有颌类崛起的过程：最迟到4.4亿年前，有颌类各大类群已经在华南地区欣欣向荣；到志留纪晚期，更多样、更大型的有颌类属种出现并开始扩散到全球，开启了鱼类登陆并最终演化成为人类的进程。
对“重庆特异埋藏化石库”和“贵州石阡化石库”的化石研究，将很多与人类相关的解剖学结构追溯到4.4亿年前的远古鱼类，填补了“从鱼到人”演化史上缺失的最初始环节，更新了对有颌类起源与崛起的传统认知，进一步夯实了“从鱼到人”的演化路径。
国际古脊椎动物学会前主席、澳大利亚弗林德斯（Flinders）大学约翰·朗（John Long）教授了解了团队的上述工作后，撰文称“这确实是令人惊叹、改变演化格局的化石发现，改写了有颌脊椎动物早期演化历史的几乎所有方面”。
可以预见， “重庆特异埋藏化石库”和“贵州石阡化石库”未来还将继续为解开围绕有颌类起源的重重谜团做出持续贡献。
最后问大家一个小问题：颌骨有什么用处？除了“吃”你还能想到啥？


出品：科学大院
撰稿：张文韬
审核：中国科学院古脊椎动物与古人类研究所
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