終于破案了！這對(duì)失散了4.38億年的古魚(yú)兄弟被發(fā)現(xiàn)時(shí)竟然相距不到200公里

出品：科普中國(guó)

作者：山顯任 蓋志琨（中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所）

前段時(shí)間，中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所又又又有了新的發(fā)現(xiàn)。這一次，古生物學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了真盔甲魚(yú)類的一個(gè)新種——九江江夏魚(yú)（Jiangxialepis jiujiangensis）。我們將用這篇文章帶你深入探訪古生物學(xué)家的日常，了解找到這個(gè)新物種背后的故事，如果你是剛剛高考完的同學(xué)，這或許就是一份古生物學(xué)的“學(xué)習(xí)指南”。

(資料圖片)

“裂吻”，裂開(kāi)才有用的那種

這次發(fā)現(xiàn)的“九江江夏魚(yú)”是一種什么魚(yú)呢？在系統(tǒng)分類上，它們屬于盔甲魚(yú)亞綱真盔甲魚(yú)目曙魚(yú)科江夏魚(yú)屬，典型特征是中背孔前端向前延伸至頭甲吻緣并使吻緣裂開(kāi)，即“裂吻”。

擁有裂吻的盔甲魚(yú)類——西坑裂吻魚(yú)

（圖片來(lái)源：郭肖聰繪）

“裂吻”聽(tīng)起來(lái)像是不那么健康的樣子，但對(duì)盔甲魚(yú)類來(lái)說(shuō)，有“裂吻”或許是件好事。中背孔是盔甲魚(yú)類的鼻孔，盔甲魚(yú)類的鼻孔與口腔直接相通，水流經(jīng)鼻孔進(jìn)入口腔繼而進(jìn)入鰓，進(jìn)行氣體交換。因此，中背孔是盔甲魚(yú)類重要的呼吸器官。

絕大多數(shù)盔甲魚(yú)類的中背孔向頭甲背側(cè)開(kāi)口，只能吸入來(lái)自頭甲上方的水流，而“裂吻”使得盔甲魚(yú)類的中背孔增加了一個(gè)向前和向下的開(kāi)口，這樣的話，在游泳的過(guò)程中，中背孔能夠同時(shí)接受來(lái)自頭甲上方、前方和下方三個(gè)方向的水流。因此，科學(xué)家推測(cè)，“裂吻”能夠大大提高盔甲魚(yú)呼吸時(shí)的進(jìn)水效率。

形態(tài)各異的盔甲魚(yú)中背孔

（圖片來(lái)源：楊定華繪）

在盔甲魚(yú)類中，“裂吻”這一特征是九江江夏魚(yú)首先演化出來(lái)的?？茖W(xué)家們?cè)?jīng)在另一種盔甲魚(yú)類——西坑裂吻魚(yú)的化石中也發(fā)現(xiàn)過(guò)“裂吻”這一特征，但這種盔甲魚(yú)是在九江江夏魚(yú)出現(xiàn)“裂吻”的300萬(wàn)年之后才出現(xiàn)這一特征的。

那這兩種盔甲魚(yú)之間有什么關(guān)系呢？九江江夏魚(yú)是西坑裂吻魚(yú)的“老祖宗”嗎？答案是：它們之間沒(méi)關(guān)系。江夏魚(yú)與裂吻魚(yú)屬于完全不同的兩個(gè)演化支系，前者屬于曙魚(yú)科，代表了最原始的真盔甲魚(yú)目支系；后者則屬于中華盔甲魚(yú)科，代表了更加進(jìn)步的真盔甲魚(yú)目支系。雖然都是屬于真盔甲魚(yú)目，但江夏魚(yú)和裂吻魚(yú)是由兩個(gè)不同的魚(yú)類祖先分別演化而來(lái)，二者之間并不是世代繼承的關(guān)系。

這種兩個(gè)不同支系的生物因生活在相似的環(huán)境中而演化出相同性狀的現(xiàn)象，叫作平行演化。“裂吻”這一特征既存在于曙魚(yú)科，又存在于中華盔甲魚(yú)科，表明“裂吻”在真盔甲魚(yú)目中至少獨(dú)立起源了兩次。

除了“裂吻”之外，江夏魚(yú)還平行演化出此前科學(xué)家們認(rèn)為僅存在于多鰓魚(yú)目和華南魚(yú)目的特征，如頭甲后部發(fā)育出中背棘和中背脊。中背棘和中背脊在功能上類似飛機(jī)的垂直尾翼，能使盔甲魚(yú)類在游泳的時(shí)候保持平衡，防止身體的傾斜。

這一系列特征的出現(xiàn)，表明真盔甲魚(yú)目在演化初期就已經(jīng)做出了與進(jìn)水效率、保持平衡等有關(guān)的多種演化嘗試，呈現(xiàn)出較高的形態(tài)多樣性。

九江江夏魚(yú)（Jiangxialepis jiujiangensis）化石照片

（圖片來(lái)源：蓋志琨攝）

找到九江江夏魚(yú)不僅豐富了我們對(duì)于志留紀(jì)早期真盔甲魚(yú)類物種多樣性的認(rèn)識(shí)，也這對(duì)深入理解志留紀(jì)早期盔甲魚(yú)類的輻射演化及生物古地理具有十分重要的意義。

古生物學(xué)家們是怎么“做推理題”的？

做古生物研究，常常就像“做推理題”。這次發(fā)現(xiàn)的九江江夏魚(yú)化石，又給古生物學(xué)家們出了幾道難題，不過(guò)科學(xué)家們都是從蛛絲馬跡中找到答案的高手，這次也不例外，他們這次發(fā)現(xiàn)了九江江夏魚(yú)的遷徙路線。怎么發(fā)現(xiàn)的？看看下面的推理過(guò)程吧。

九江江夏魚(yú)屬于盔甲魚(yú)類，我們就從盔甲魚(yú)類的生活環(huán)境和遷徙路線開(kāi)始推理，再來(lái)進(jìn)一步了解九江江夏魚(yú)。

要想知道盔甲魚(yú)類的生活環(huán)境，古生物學(xué)家們總結(jié)了兩步法。

第一步：觀察一下化石本身的生態(tài)特征。

盔甲魚(yú)類的頭甲均強(qiáng)烈扁平化，口位于腹側(cè)、眼睛和鼻孔均位于背側(cè)。**科學(xué)家會(huì)根據(jù)眼睛位于頭甲背側(cè)，推測(cè)出它們營(yíng)底棲生活，**這是因?yàn)楸硞?cè)的眼睛僅能夠接收來(lái)自頭甲上方的視野，頭甲下方便成了魚(yú)類的視野盲區(qū)，因此只有營(yíng)底棲生活才能使它們更快地發(fā)現(xiàn)捕食者，從而逃避敵害。

同時(shí)，**盔甲魚(yú)類屬于無(wú)頜類，**它們沒(méi)有演化出能夠咬合的頜，也就是“下巴”，因此只能靠濾食為生，位于頭甲腹側(cè)的嘴巴指示盔甲魚(yú)類主要過(guò)濾底層水或底泥中的藻類或有機(jī)質(zhì)。通過(guò)這些生態(tài)特征，能夠推理出它們是一類營(yíng)底棲濾食性生活的無(wú)頜類。

另外，它們披有厚重的外骨骼，缺少成對(duì)的偶鰭。然而，體形輕盈和擁有成對(duì)偶鰭對(duì)魚(yú)類來(lái)說(shuō)非常重要，因?yàn)樾伥捄透滚捪喈?dāng)于脊椎動(dòng)物的前肢和后肢，主要的功能是使魚(yú)體前進(jìn)、保持平衡、控制方向或行進(jìn)中及時(shí)“剎車”。還沒(méi)有演化出偶鰭的盔甲魚(yú)類本身就不善游泳，再加上外骨骼頭甲這個(gè)“累贅”，因此，盔甲魚(yú)類的游泳能力不強(qiáng)。

九江江夏魚(yú)（上）和后棘江夏魚(yú)（下）

（圖片來(lái)源：史愛(ài)娟繪）

底棲為主的生活方式和較弱的運(yùn)動(dòng)能力使得盔甲魚(yú)類擴(kuò)散遷移的能力有限，推測(cè)盔甲魚(yú)類生活在古陸邊緣的淺海環(huán)境。

淺海接受了大量經(jīng)由河流等外動(dòng)力搬運(yùn)來(lái)的沉積物質(zhì)和海蝕作用剝蝕下來(lái)的物質(zhì)，沉積物來(lái)源十分豐富，有機(jī)質(zhì)含量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平靜的深海。加上淺海帶陽(yáng)光充足，氧氣充分，非常適合盔甲魚(yú)類這樣的底棲濾食者生活。其實(shí)，在現(xiàn)代海洋當(dāng)中，絕大多數(shù)的底棲生物也都在淺海帶大量繁殖，其種類和數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其余各帶。

另外，科學(xué)家推測(cè)，盔甲魚(yú)類只能沿著古海岸線進(jìn)行遷移，而無(wú)法完成跨大洋的擴(kuò)散。

這是因?yàn)榭绱笱筮w移是一項(xiàng)艱難的任務(wù)，魚(yú)類需要滿足多種條件才能完成這一壯舉。比如它們需要有足夠強(qiáng)的游泳能力，以便在漫長(zhǎng)的遷徙中保持體力和速度，還需要有充足的食物來(lái)源供給，以應(yīng)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的遷移和食物缺乏的挑戰(zhàn)。

顯然，對(duì)于“笨重”又以“吃土”為生的盔甲魚(yú)類，跨大洋遷移不太可能?，F(xiàn)實(shí)條件只允許它們待在自己的“舒適區(qū)”，沿著古陸邊緣的淺海環(huán)境進(jìn)行擴(kuò)散。

第一步觀察結(jié)束，就該第二步，看古地理分布了。從特列奇早期盔甲魚(yú)類的古地理分布來(lái)看，可以發(fā)現(xiàn)它們的古地理分布明顯受到海洋環(huán)境的制約，基本只分布在古陸的邊緣。

古地理研究表明，4.38億年前的志留紀(jì)早期，以我國(guó)長(zhǎng)江流域?yàn)橹鞯娜A南板塊曾是一片廣闊的海洋，被稱為揚(yáng)子海。該海域又被進(jìn)一步分為上、下?lián)P子海，兩者之間存在一片狹長(zhǎng)的淺海海域——九江海峽。湖北武漢和江西武寧兩地隔九江海峽跨海相望，最近處直線距離相距不足200公里。

華南地區(qū)志留紀(jì)蘭多維列世特列奇期早期古地理圖和盔甲魚(yú)類化石產(chǎn)地

（圖片來(lái)源：山顯任修改自修改自陳旭、戎嘉余, 1996; 戎嘉余等, 2012;）

江西武寧志留紀(jì)下紅層清水組的溫塘化石組合，古魚(yú)類物種多樣性最高，幾乎涵蓋了其他地區(qū)該組合的所有屬種，這個(gè)現(xiàn)象又可以推測(cè)出，江西武寧地區(qū)可能是盔甲魚(yú)類輻射和擴(kuò)散的中心之一。

這次發(fā)現(xiàn)的江夏魚(yú)屬，在湖北武漢和江西武寧兩地同時(shí)發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明在志留紀(jì)早期，盔甲魚(yú)類可能通過(guò)上、下?lián)P子海之間的九江海峽完成跨揚(yáng)子海的南北遷徙，從而使盔甲魚(yú)類能夠沿著揚(yáng)子海北緣向東、西分別擴(kuò)散至安徽巢湖和湖北京山。

怎么樣，這個(gè)推理有意思嗎？

失散了4.38億年的江夏魚(yú)兩兄弟

古生物學(xué)家們?yōu)槭裁匆凇按蟠蟮耐炼选崩锩妗巴谘酵谘酵凇保空諊@著化石展開(kāi)工作會(huì)不會(huì)很無(wú)聊？如果你把古生物研究想成一趟替已滅絕生物進(jìn)行的尋親之旅，這種研究就變得很有意思了。

就以九江江夏魚(yú)為例，其實(shí)能找到它，過(guò)程十分曲折。

在九江江夏魚(yú)發(fā)現(xiàn)之前，它的“兄弟”后棘江夏魚(yú)就已經(jīng)在湖北武漢地區(qū)被發(fā)現(xiàn)了，武漢地區(qū)位于揚(yáng)子海的北緣，而盔甲魚(yú)一直以來(lái)被認(rèn)為僅僅沿著揚(yáng)子海的南緣擴(kuò)散。這說(shuō)明揚(yáng)子海南北緣之間一定發(fā)生過(guò)盔甲魚(yú)類交流擴(kuò)散事件，于是科學(xué)家把目光放在了江西九江地區(qū)，在4.4億年前的志留紀(jì)早期，那里是距離武漢最近的淺海區(qū)域，一定能找到江夏魚(yú)的其他線索。

江西九江地區(qū)是中國(guó)志留紀(jì)早期脊椎動(dòng)物一個(gè)非常重要的化石產(chǎn)地，早在上世紀(jì)80年代，我國(guó)著名古魚(yú)類學(xué)家潘江先生就在九江的修水縣太陽(yáng)升鎮(zhèn)一帶開(kāi)展野外調(diào)查，并首次發(fā)現(xiàn)了中華盔甲魚(yú)、裂吻魚(yú)和修水魚(yú)等無(wú)頜類化石。

2003年，當(dāng)時(shí)還在中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所讀研究生的蓋志琨研究員，在朱敏院士的帶領(lǐng)下，也來(lái)到修水縣進(jìn)行野外調(diào)查，并采獲了大量的盔甲魚(yú)類新材料。

但后來(lái)由于研究團(tuán)隊(duì)把研究重點(diǎn)放在了浙江長(zhǎng)興志留紀(jì)曙魚(yú)的研究上，江西九江盔甲魚(yú)類的研究就暫時(shí)被擱置了起來(lái)，這一擱置就是10年的時(shí)間。

2012年，蓋志琨研究員從英國(guó)學(xué)成歸來(lái)，重新啟動(dòng)了對(duì)江西九江地區(qū)志留紀(jì)盔甲魚(yú)類的研究工作，重新踏上為盔甲魚(yú)類“尋親”的路途，連續(xù)幾年都要到九江的修水地區(qū)開(kāi)展野外調(diào)查工作。2019年，研究團(tuán)隊(duì)像往年一樣，又驅(qū)車前往九江開(kāi)展野外調(diào)查，但因修水縣高速公路正在維修，研究團(tuán)隊(duì)無(wú)奈只能從武寧縣的澧溪鎮(zhèn)出口提前下了高速。

然而正是這次改道而行，讓研究團(tuán)隊(duì)在澧溪鎮(zhèn)的一處工地上，意外地發(fā)現(xiàn)了一個(gè)比修水地區(qū)更古老的古魚(yú)類動(dòng)物化石群，該動(dòng)物化石群位于秀山動(dòng)物群之下，屬于志留紀(jì)下紅層清水組，代表了奧陶紀(jì)末生物大滅絕之后，全球脊椎動(dòng)物的最早的復(fù)蘇與輻射演化。

研究團(tuán)隊(duì)以此為契機(jī)，加大了對(duì)九江武寧地區(qū)的野外發(fā)掘力度，繼2022年在江西武寧為浙江安吉的網(wǎng)狀安吉魚(yú)找到親兄弟以后，這次又在同一地點(diǎn)，為湖北武漢的后棘江夏魚(yú)找到了親兄弟，而且兩者的直線距離不到200公里。

結(jié)語(yǔ)

揭秘九江江夏魚(yú)的生活是一個(gè)有趣的推理過(guò)程，發(fā)現(xiàn)這一物種本身也充滿了戲劇色彩，但這并不意味著古生物學(xué)家們只有靠猜想和運(yùn)氣就能完成科學(xué)研究，日積月累的辛勤工作才是他們的常態(tài)。怎么樣？覺(jué)得古生物學(xué)家的工作有意思嗎？高考結(jié)束之后考不考慮報(bào)考一下古生物學(xué)？

注：

本文相關(guān)研究作為封面文章被發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《地質(zhì)學(xué)報(bào)（英文版）》上，論文標(biāo)題為《江西志留紀(jì)特列奇早期的江夏魚(yú)屬新種及其生物地層學(xué)意義》，中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所的碩士研究生山顯任為論文第一作者，蓋志琨研究員為論文通訊作者。

（注：文中拉丁文部分應(yīng)為斜體。）

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