颌的起源:发育生物学假说与化石实证的交叉

从分子生物学、发育生物学与古生物学等多角度评述了脊椎动物颌的起源研究中的最新进展.发育遗传学的一系列进展促成了颌演化异位理论的提出,即颌的起源,是在上皮-外胚层间质细胞相互作用中,由于口腔发育调控基因的异位表达所导致的一次演化上的创新.在无颌类七鳃鳗的发育过程中,外胚层间质细胞的向前生长由于受到中央鼻垂体板的阻挡,无法像有颌类那样发育成颌和颅桁.因此,该理论推测鼻垂体复合体的分裂是颌发育的最根本的先决条件,应该发生在颌的起源之前.鼻垂体复合体的分裂可能也是促成有颌类双鼻孔起源的一次关键的演化事件,它允许刺猬基因家族调控鼻基板的发育,从而形成侧位的鼻囊.盔甲鱼类是4.35~3.7亿年前生活在中国和越南北部的一种地方性色彩很浓的"甲胄鱼类".盔甲鱼类曙鱼脑颅的三维复原显示其成对的鼻囊位于口鼻腔两侧,而垂体管向前开向口鼻腔中部,三者彼此分开.因此,盔甲鱼类化石提供了无颌类鼻垂体复合体在颌起源之前分裂的关键证据,从而佐证了颌演化的异位理论.藉助于同步辐射X射线断层扫描技术,本文进一步揭示出盔甲鱼类可能已经具有了有颌类特有的颅桁衍生构造(譬如眶鼻间隔、筛骨板),为探讨脊椎动物脑颅在颌的起源之前如何重组提供了关键资料.在探讨颌的起源及相关问题上,盔甲鱼类较之于骨甲鱼类在很多方面是一个更好的对比模型.盔甲鱼类脑颅所揭示出的一些与有颌类共有的进步性状,表明盔甲鱼类有可能取代骨甲鱼类成为有颌脊椎动物的姐妹群.本研究提供了一个发育生物学假说与古生物化石实证相互交叉的有趣案例.     

我们的祖先从水里来——硬骨鱼类起源与早期演化

硬骨鱼类(osteichthyans)是脊椎动物演化的主干,硬骨鱼下分的两大支系,即肉鳍鱼类(lobe-finned fishes)和辐鳍鱼类(ray-finned fishes)分别成为今日地球陆地和水域的征服者,前者最终演化出包括人类在内的四足动物。志留纪-泥盆纪是硬骨鱼类乃至整个有颌脊椎动物演化的关键阶段,硬骨鱼纲的起源、辐鳍鱼类与肉鳍鱼类的分异、肉鳍鱼类的早期演化和四足动物的起源等关键演化事件都出现在这一时期。直到20世纪末,化石资料的匮乏长期以来一直限制着学界对这些 硬骨鱼类起源与早期演化关键事件的了解。近年来,来自中国的梦幻鬼鱼、初始全颌鱼、晨晓弥曼鱼、于氏箐门齿鱼和奇异东生鱼等一系列关键化石的发现与研究极大地改变了上述情况,将硬骨鱼类起源与早期演化推到早期脊椎动物研究的聚光灯下,为脊椎动物“从鱼到人”的演化历史补上了大量缺失的篇章。     

脊椎动物实证起源

早寒武世海口鱼和海口虫的发现涉及到脊椎动物起源这一重大论题, 近年来引起了热烈的讨论. 大量海口鱼新材料不仅证实了原先认识到的背鳍、腹鳍、“之”字形肌节等重要性状, 而且还揭示出原始脊椎和头部感官两类关键性特征; 这种仍保留无头类原始生殖器官特征的脊椎动物很可能就是有头类始祖. 在无颚纲中建立了1个新目昆明鱼目和新科昆明鱼科, 描述了一个新属种长吻钟健鱼. 新发现的1400余枚海口虫标本提供的多方位解剖学信息显示, 其皮肤、肌肉、呼吸、循环等器官系统与脊索动物明显不同, 相反, 其躯体构型与古虫类相近, 而兼有背、腹神经索的“过渡型”神经系统, 与半索动物相一致. 基于一系列最早期后口动物新发现, 本文提出的脊椎动物起源分“五步走”的假说, 在原口动物与脊椎动物之间架起了一座演化桥梁, 其中后四步与现代动物谱系分析的“四步走”假说相一致, 更增添了关键性的第一步; 于是, 华南便应该是世界上脊椎动物已知最早的发祥地.     

大鱼之始——曲靖潇湘动物群中发现志留纪最大的脊椎动物

云南曲靖4.23亿年前的潇湘动物群在世界上独一无二地完好保存了大量志留纪有颌脊椎动物化石。2014年6月,中国科学家报道了潇湘动物群中的新成员,一种被命名为钝齿宏颌鱼(Megamastax amblyodus)的硬骨鱼,这是目前为止志留纪最大的脊椎动物。现有证据显示钝齿宏颌鱼属原始肉鳍鱼类,体长可达1.2 m,其牙齿适应捕食带硬壳的猎物,可能在食物链中占据较高的位置。这是潇湘动物群继梦幻鬼鱼和初始全颌鱼之后的又一重要发现,该发现挑战了早泥盆世埃姆斯期前不存在大型脊椎动物的传统看法,同时促使研究者重新思考已有的古大气/古海洋氧气含量变化理论模型,以及其与脊椎动物演化之间的关系。     

脊椎动物附肢发育及进化机制的研究进展

动物形态的多样性造就了丰富多彩的动物世界.脊椎动物附肢形态的发生一直以来是研究物种形态进化发育的典型例子.脊椎动物的附肢在漫长的进化历程中发生了多次重大的改变,这大大提高了脊椎动物的适应性.另外,在由水生鳍向陆生足演化以及四足动物形态各异的四肢发育过程中,涉及很多与发育相关的基因和调控通路.本文结合发育生物学和遗传学的证据,综述了近年来对脊椎动物四肢发育及进化机制的相关研究,强调了基因的时空差异表达及调控是造成生物形态适应性进化的主要驱动力.     

人类的面孔如何从鱼形祖先演化而来?

面孔,即脊椎动物头部的正面,对动物机体的运作和人类社会生活有重要意义,面孔的演化长久以来吸引着学界和大众的兴趣,是备受关注的经典科学问题.最近数十年来,演化基因组学、演化发育生物学和古生物学等领域的一系列进展,使得学界对脊椎动物面孔基本构架和面部各器官的演化有了许多新的认识.本文对脊椎动物从鱼到人的面孔演化进行了梳理,重点介绍了近年来在头部和颌骨的起源与演化、耳鼻眼演化、牙齿演化以及人类面部特征形成等领域的一批新知.回顾面孔演化历程,人类面孔许多社会属性的生理基础都可以清楚地追溯到我们与其他脊椎动物的共同祖先中.     

“面子”的起源：最早的“嘴脸”

正我们有"面子",在演化上拜谁所赐?中国古生物学家朱敏研究员带领的跨国研究团队,2013年9月25日在《自然》杂志上报道了来自云南曲靖4.19亿年前的志留纪盾皮鱼类——初始全颌鱼(Entelognathus primordialis),揭开了"面子"起源的面纱[1]。颌骨是构成面部骨骼的主体,长着上下颌骨的脊椎动物称为有颌类,种类数占现生脊椎动物的99.7%。从骨骼结构上来说,有颌类似乎就应该是有"嘴脸"或"面子"的动物。探寻我们"面子"的起源之谜,自然要     

海口虫——脊椎动物演化的起点

探寻生命的起源,追问人类起源,我们从哪里来?我们是谁?我们往哪里去?人从猿进化而来,仅仅是这一追问的第一步。但云南澄江化石群的出现,将这一追问以惊人的速度飞跃式地问到了一个新层次,给后人探寻人类起源开辟了一个崭新的天地。在大约5.44亿～5.1亿年前,地球上发生过一次极精彩的大规模的生命演化事件.距今约35亿年前出现在海洋中的构造简单的单细胞生物(原核生物)经过不断地演化在这一时期突发性地发展     

中国古人类学和古脊椎动物学的新发现

解放以来,我国在古人类学和古脊椎动物学上做了不少工作,并且取得了一定的成绩。最近一年多来,大规模的全国性的地质普查工作展开以后,比过去几年有更多的新材料发现,在地层和脊椎动物及人类的进化上都有相当大的意义。这些新发现的材料的研究工作大部分还在进行中,这里我们只能作一个一般性的介绍。     

热河生物群脊椎动物的辐射及其环境背景

近年来, 热河生物群各门类的研究十分活跃. 特别是在鸟类与飞行的起源、早白垩世鸟类、恐龙、哺乳类、昆虫和被子植物的进化研究等方面, 已有若干重要成果问世[1~5], 并引起国内外学术界及公众的广泛关注. 热河生物群的研究揭示了早白垩世许多重要生物门类进化辐射的型式和过程, 包括被子植物和鸟类演化历史上的第一次显著的辐射, 早期哺乳动物的分化, 以及白垩纪恐龙类群的早期辐射等. 由于相同的环境背景, 热河生物群脊椎动物的辐射具有许多共同的特点. 如出现了大量树栖生活或者植食性的种类, 表明它们的辐射和当时繁茂的植被环境紧密相关. 习性和食性的分化还成为热河生物群翼龙、恐龙、鸟类和哺乳类进化辐射的重要标志.     

低等脊椎动物中存在基因组印迹进化的基础

哺乳动物配子发生过程中双亲特异性甲基化印迹导致父母双方的基因组在发育中的不等性和互补性, 使父母双方的基因组对正常发育都是必需的. 因此, 基因组印迹是胚胎发育过程中基因组整体水平上基因表达调控至关重要的第一步, 也是哺乳动物两性生殖的表观遗传基础. 但基因组印迹在脊椎动物中的进化起源、形成并维持稳定的表观遗传修饰分子机制都还完全不清楚. 在动物界, 由于至今未在非哺乳动物中发现内源印迹基因, 基因组印迹被认为可能是胎生哺乳动物单独进化出来的. 为探索基因组印迹的进化起源, 本文研究了哺乳动物印迹基因在低等脊椎动物的同源基因中是否存在双亲特异性差异甲基化区域. 通过用重亚硫酸氢盐测序的方法, 对金鱼Igf2基因的CpG岛在精子、卵子、不同发育阶段胚胎以及成体不同组织中的甲基化情况进行分析, 结果表明, 与哺乳动物Igf2基因一样, 金鱼Igf2基因内部也存在差异甲基化区域, 该区域在卵子中没有甲基化, 在精子中被高度甲基化; 但与哺乳动物印迹基因不同, 金鱼的双亲特异性甲基化差异不能在胚胎发育过程中保持稳定, 可能是脊椎动物进化早期的一种初级的基因组印迹. 这些结果说明, 低等脊椎动物中存在基因组印迹进化的基础, 基因组印迹不是哺乳动物单独进化产生的     

脊椎动物用皮肤呼吸

较高等的脊椎动物能用皮肤进行呼吸吗? 能! 皮肤能进行气体交换,在很早以前就引起了生理学家的兴趣.上世纪初丹麦学者奥古斯特·科鲁弗进行了开创性的研究.他把蛙通向肺部的气道堵塞,观察到蛙在冬季(通常处于休眠状态)能通过皮肤将足够的氧气供应给血液;但是实验证明蛙在其他的季节必须利用肺进行呼吸.科鲁弗由于对毛细血管血液循环的研究成果在1920年获得了诺贝尔生理学奖.     

鳍与四肢如何发育和演化?

鱼鳍如何产生,又怎样向陆生四足动物的四肢演化?回答这一科学问题实质上是要理解决定生命这些性状的基因如何受制于自然选择和性选择,以及由此涉及与发育相关的创新动力和演化机制.近10年的研究表明,鳍最早可能是以单鳍褶的形式出现在早期的无颌鱼类中,尔后在向有颌鱼类和四足动物的演化过程中发生了显著变化,且在这一演化过程中,鱼鳍发育必需基因的序列变异、表达模式变化、基因间相互作用甚至部分基因丢失可能起了关键作用.本文综述了鳍的起源、演化历程和发育模式,阐述了鳍向四肢演化、鱼鳍两性异形产生和四肢形态演化的分子机制.     

早寒武世初期化石尾海鞘的尾部具有脊椎动物远祖的标志

十九世纪俄国科学家A.O.柯瓦利夫斯基研究了被囊动物海鞘的胚胎发育,发现海鞘的蝌蚪幼虫有一条独特的尾。尾的中央有一条起支撑作用的硬的竽状体,不分节。沿着尾的背侧有一条神经管通过,为中枢神经部分。这一发现在科学界引起了骚动,因为它暗示了被囊动物的幼虫必定与脊椎动物有密切的联系。从鱼到人的发展过程中,各种脊椎动物在其自身发     

动态点击

我国科学家完成从“虫”到“人”生物进化全图近日,我国罗惠麟、陈良忠、胡世学3位古生物学家披露,生物演化进程中非常重要的一个缺环得到了填补,一个生命演化的完整9条链条已经清晰地展现。 1997年8月,3位科学家在昆明海口地区耳材村发现了两块脊椎动物的化石标本。他们将这两块化石分别定名为海口华夏鱼和中新鱼。 1999年,舒德干、罗惠麟等古生物学家发现无颌类     

准噶尔盆地中生代地层脊椎动物化石研究进展及意义

准噶尔盆地不仅具有丰富的油气资源,同时也是地层古生物的重要研究地区。本文简要回顾了准噶尔盆地近百年的古脊椎动物研究史,并阐述了包括五彩冠龙,准噶尔将军龙及哺乳类在内的新近化石发现及其意义。这一系列研究均为准噶尔盆地首次发现,不但丰富了该地区古生物多样性,也对解决生物进化,地层划分对比及确定地层年代等问题起到了较好的作用。同时,以准噶尔盆地南缘和克拉美丽地区为例,归纳总结了两地区中生代主要脊椎动物化石,分析论述了准噶尔盆地中生代具代表性的脊椎动物群面貌及其在地层划分对比中的意义,最后建议使用脊椎动物化石挖掘与微体古生物共同取样的方法,进一步提高脊椎动物化石地层划分对比精度。     

中生代葬甲的亲代抚育行为研究取得重要进展

<正>亲代抚育(指双亲对后代的保护和喂养)是高等生命演化过程中出现的一种重要适应行为,也是一些节肢动物具有社会性的关键.亲代抚育在生命进化史中多次独立演化,广泛存在于昆虫及其他节肢动物,以及哺乳动物、鸟、恐龙等脊椎动物中,但这种复杂的行为特征很难在化石证据中观察到.     

昆虫生存危机

谁是地球的主人?是拥有智慧的人类吗?不,与其说这颗蔚蓝星球是属于人类的,不如说是属于昆虫的.昆虫是地球上最为繁盛的生物种群,从天空到陆地再到水体,从草原到沙漠再到冻土,它们在地球的每一个角落繁衍,其生存能力远超其他动物,是当之无愧的"地球统治者".经过亿万年的自然演化,它们形成了动物界最为庞大的类群,至今约占已知动物总数的70％以上.全世界的昆虫可能有1000万种以上,约占地球上所有生物物种的一半,但目前已定名的昆虫种类仅有100万种左右.长期以来,人们对于这个地球第一大动物类群的演化细节与生活习性不甚了解,很多类群的出现时间和演化关系众说纷纭.近年来,在各国研究者的努力下,有关昆虫各个目的演化关系才初步浮出了水面.     

人体与哺乳动物的生物钟同步机制及疾病

由于地球的自转,地球表面的光照和温度会产生以24 h为周期的节律性波动.与之相适应地,近地表生物的新陈代谢、生长发育、细胞周期等也会随着昼夜更替而改变,形成稳定的昼夜节律.昼夜节律是生命体在自然环境中经过漫长的演化而产生的,但它并不是简单的被动适应,而是由内在的生物钟驱动的,主动与环境进行匹配的过程.那么,生物钟到底是什么?它是如何运作的?生物钟重置的机理是什么?生物钟紊乱对人类的健康又有什么样的影响?这些都是我们关心并期待解答的问题.     

辽西四合屯脊椎动物生存时代: 锆石U-Pb年龄证据

辽西北票市四合屯及其周边地区赋存长毛恐龙及早期鸟类化石的地层时代,存在晚侏罗世、早白垩世和晚侏罗～早白垩世多种观点.近年发表的同位素年龄数据也存在较大分岐.四合屯含脊椎动物化石层位的凝灰岩中锆石U-Pb法定年结果为(125.2±0.9)Ma,锆石强的抗热扰动性及高的U-Pb体系封闭温度,决定了这一年龄值更客观地反映出四合屯脊椎动物生存时代为早白垩世.