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Nature:中外学者发现最早的神经系统

来源:生物360 / 作者:koo / 2013-10-21

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Nature:中外学者发现最早的神经系统

研究人员在一种新发现的爬虫或浮游动物化石中发现了已知最早,完整的中枢神经系统。

来自英国自然历史博物馆,云南大学等处的研究人员发表了题为“Chelicerate neural ground pattern in a Cambrian great appendage arthropod”的文章,在中国西南地区昆明附近著名的澄江区域,发现了一种3厘米长的动物(一英寸多一点)化石,这种动物具有已知最早的完整的神经系统。这一研究成果公布在10月17日Nature杂志上。

文章的通讯作者分别是云南大学的侯先光教授,以及英国自然历史博物馆的 Gregory D. Edgecombe 教授,其中侯先光教授主要从事澄江动物群的研究,是澄江生物群化石的发现者,现任云南大学教授,云南省古生物研究重点实验室主任。

早在1984年,侯先光教授等人就在云南省澄江县帽天山早寒武世地层内(5.3亿年前)发现了闻名于世的澄江动物化石群。该动物化石群的发现被世界科学界称为“二十世纪最惊人的发现之一”,世界科学家把该化石群评价为“永远是科学的大厦”,为早期生命科学研究开辟了一个重要的创新性研究领域。

头部神经系统

最新发现的这一动物化石也属于澄江动物化石群,是螯肢亚门(chelicerates,包括蜘蛛,蝎子等)的祖先,在大约五亿年前与其他节肢动物,如昆虫,甲壳类动物和千足虫产生了分支。

Nature:中外学者发现最早的神经系统

这种动物存活于5.20亿年前的海洋中,是称为megacheirans(希腊文为巨大附肢)的海洋节肢灭绝动物——Alalcomenaeus。“我们现在知道,megacheirans与今天的马蹄蟹和蝎子具有非常相似的中枢神经系统”,文章作者Nicholas Strausfeld表示,“这意味着蜘蛛和它们的‘亲属’的祖先,与下寒武纪甲壳类动物的祖先比邻生活。”

(图片显示的是Alalcomenaeus化石样本的头部区域显微镜成像结果,不同的颜色揭示了化学元素的分布,其中铜显示为蓝色,铁为品红,CT扫描为绿色。铁和CT的交汇处就是神经系统)

Alalcomenaeus是一种头甲背视形状成近似等边梯形的动物,具有一对类似于L.iilecebrosa的茎状眼,头部具有一对三分叉的大附肢,具有11个躯干体节,尾节扁平宽大。

技术手段

这一研究组采用了不同的成像技术对这一化石进行了分析,其中充分利用了化石形成过程中神经系统里的铁元素选择性积累的原理。

为了观察到神经结构,研究人员采用了计算机断层扫描(computed tomography ,CT)技术,这是一种能重构样品中三维特征的技术。但是“CT扫描无法明确的显示神经系统的轮廓,”Strausfeld说,“而激光扫描技术却能绘制出虽然不完美,但是比较精确的神经系统中铁沉积的化学元素分布。”

之后,研究人员又通过先进的成像扫描技术,首次利用CT扫描的绿色覆盖铁沉积扫描的品红色,再减去两者颜色。

“我们剔除了两者扫描中都不存在的图像数据,”Strausfeld解释道,“在两个重叠的情况下,品红色和绿色彼此相加,揭示出了神经系统(白色结构),然后我们再倒推回来”。

“现在白色结构显示为黑色,”Strausfeld说,“从而这个美丽的中枢神经系统以令人吃惊的细节显示了出来。”

神经系统具体特征

研究人员比较了这种化石的神经系统与马蹄蟹和蝎子的神经系统,毫无疑问的指出这一5.20亿年前的Alalcomenaeus属于螯肢亚门(chelicerates)。

而且这一化石还具有蝎子和蜘蛛大脑中具有的典型特征:三簇称为神经节的神经细胞相互融合,这不同于一些甲壳类动物,它们的神经节相隔很远,通过长神经连接,就像是绳梯中的每节梯子。

其它特征还包括大脑肠道开口的位置,以及大脑内外感光中心的设置。

在进一步的研究中,研究人员还利用这些特征与其它约150种特征,共同分析了节肢动物中的进化关系。“Greg将这些特征加入到了一个计算机分支系统学分析中,并提出问题:这个化石应该放置在系统树的哪个位置?”Strausfeld说,“我们认为它应该属于现代螯肢亚门”。

更进一步的研究探索

但这个故事并没有就此结束。

大约一年前,侯先光教授等人发现解剖结构复杂的大脑进化比以前认为的要更早,并且在进化过程中并没有发生多大的改变。

当时发现的化石属于延长抚仙湖虫(Fuxianhuia protensa),是云南澄江早寒武世三个新的大型节肢动物之一,是一种灭绝的节肢动物。研究人员发现延长抚仙湖虫的大脑每一侧上有三个视觉髓,这很可能与昆虫中出现的神经纤维横向模式有关,而且其大脑也由三个个融合分部组成,而软甲亚纲(branchiopods)只有两个分部的融合。

这指出,一旦大脑的基本设计已经进化出现,那么就不会发生太大的变化。相反,外围的一些元件,如眼睛,触角,其他附加物,感觉器官等就会发现巨大的多样化,以及功能上的专业化,不过这些都会输入到相同的基本环路中。

而“这一新发现则表明mandibulates(包括甲壳类动物)和螯肢亚门(chelicerates)在5.20亿年已经出现了分支,作为两种不同的进化轨迹,这也就是意味着,它们的共同祖先在此前更早的时间里就已经存在了,”Strausfeld说,“我们希望能进一步分析更早时间的化石,并在未来找到mandibulate和chelicerate的祖先,解析其神经细胞,目前我们不清楚这些动物来自于哪儿,现在终于有了搜索的方向。”

云南省古生物研究重点实验室官方新闻稿

《Nature》发表云南大学侯先光等的最新研究成果

10月17日,包括云南大学古生物学家侯先光教授、马晓娅博士及日本、英国、美国研究人员在内的国际研究团队在顶尖期刊《Nature》发表了题为“Chelicerate neural ground pattern in a Cambrian great appendage arthropod”的最新论文。作为重大发现,该成果的发表说明古生物学家发现并确认了寒武纪时期(5.41-4.85亿年)已知最完整的动物中枢神经系统。

2012年7月1日,云南澄江动物化石群被联合国批准为《世界自然遗产》,也是中国唯一的化石类世界自然遗产。在这一化石群中,保存有大附肢节肢动物——始虫(Alalcomenaeus sp.)化石。这类动物前部具有一对强壮的螯肢与头部相连,其系统分类关系多有争论,被认为是单系列、平行系列或多系列演化,是螯肢节肢动物干系类群或节肢动物干系类群等不同的观点。

研究人员对始虫化石标本进行了深入研究。通过计算机断层扫描(CT),揭示了保存完好的神经系统,包括与现生节肢动物相同的具有3个体节的脑部,脑前方有一个与眼部相连的神经组织,以及11个躯干体节中连续显示的前8个神经节。

根据这些信息,研究人员能够将寒武纪早期的始虫化石与现生的螯肢动物类群的节肢动物进行对比——如鲎、蝎子和蜘蛛等。澄江动物化石群中节肢动物神经组织的较完美保存,为阐述化石类群中头部特化附肢是与哪一神经节相联系的长期争论提供了新的证据。

研究证实,寒武纪早期始虫化石的神经系统与现生的鲎的幼虫神经系统十分吻合,支持了大附肢节肢动物与其同源的观点。因此,寒武纪大附肢节肢动物是属于螯肢节肢动物,其外观上我们也可以看出两者形态的相似之处。这是首次利用化石的直接证据进行神经解剖学分析,对古老的及现代的不同动物间的亲缘关系进行分类。

节肢动物具有漫长而丰富的化石历史,可以追溯到5.2亿年前。然而长期以来,人们对这些古老节肢动物的神经系统几乎一无所知。古生物学家只能依靠化石中保存的附肢来与现生的节肢动物进行比较,以此来推断头部的体节或带有大附肢的头中的神经索。这一新发现使从古老化石中研究中枢神经系统成为可能,使最古老的动物与现生的动物之间关系可以直接进行对比。

侯先光教授、马晓娅博士等的研究也进一步说明,澄江动物群这一中国化石世界自然遗产在回答生命科学领域中关于动物进化的一些关键问题时的重要作用。

延伸阅读:

Nature:云南大学考古发现大脑进化起点比想象的更早

原文检索:

Gengo Tanaka, Xianguang Hou, Xiaoya Ma, Gregory D. Edgecombe, Nicholas J. Strausfeld. Chelicerate neural ground pattern in a Cambrian great appendage arthropod. Nature, 16 October 2013; DOI:10.1038/nature12520

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