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在达尔文《物种起源》一书问世以前的1843年,英国古生物与比较解剖学家理查德·欧文便在其代表作《On the Nature of Limbs》中阐述了两栖、爬行和哺乳动物(总称四足动物)的四肢骨骼起源于肉鳍鱼类的鱼鳍这一观点。该观点在此后的180年间广泛出现在教科书和浩繁的科普读物中,成为了演化生物学中同源演化的一个经典范例。

随着近30余年来交叉学科的快速发展,大量精美保存的“中间过渡类型”化石的发现逐渐揭开了蒙在从鱼类到四足动物演化历史上的神秘面纱,如鱼类背鳍和鳃盖骨的丢失、头骨由左右两侧扁平到背腹向扁平的转变等。四足动物四肢的大部分结构与肉鳍鱼类的胸/腹鳍具有同源关系更是得到了形态学、发育生物学和分子生物学等方面研究的支持。以前肢为例,肺鱼的胸鳍与人类的手臂具有大致相同的解剖结构和关节方式,即由近端一根长骨(肱骨)与远端两根长骨(尺骨、桡骨)关节,并进而与近端腕骨相关节。肺鱼胸鳍的远端(基骨与膜质鳍条)与哺乳动物前肢的远端腕骨、掌骨和指骨具有不同的形态和关节方式,却具有相似的多个基因表达模式和调控机制,比如在胚胎发育早期均受到Hoxa13Hoxd13基因的调控。近十余年来,对于肉鳍鱼类是否具有手指,以及四足动物的手指、掌骨和与之关联的远端腕骨究竟是否代表了四足动物的演化新质(evolutionary novelty)一直争论不休。

遗憾的是,古生物学家在泥盆纪时代(距今约4.2-3.6亿年前)岩层中迟迟未能找到介于胸/腹鳍与四足动物的远端腕/跗骨和指/趾、掌/蹠骨之间的过渡形态类型。靠近四足动物共同祖先的肉鳍鱼类化石中,如提克塔里克鱼(Tiktaalik)的胸鳍远端具有多个基骨和鳍条;这些基骨和鳍条在由鳍到四肢的演化过程中丢失,并由腕、掌、指骨取代。另一方面,发现自泥盆纪末的最早四足动物代表如棘螈(Acanthostega)、鱼石螈(Ichthyostega)和图拉螈(Tulerpeton)的四肢分别具有8、76根手指/脚趾。这些化石记录表明四足动物在演化的早期存在由多指/趾型向五指/趾型的转变。

此外,胚胎发育研究为了解从鱼鳍到四肢的演化开启了新的篇章。前人研究发现现代四足动物的最原始类群——蝾螈类(一类现代两栖动物,代表物种为中国大鲵,俗称娃娃鱼)肢骨的早期发育过程(间充质细胞聚合[mesenchymal condensation]和软骨成骨[chondrification])存在轴前优先性(preaxial dominance),即长轴前侧(靠近大拇指的一侧)的骨骼先于后侧的骨骼出现。例如,墨西哥钝口螈的脚趾形成顺序为II-I-III-IV-V,胫骨先于腓骨形成。这一发育模式与蛙类和羊膜动物肢骨早期发育过程中所展现的轴后优先性(postaxial dominance)恰好相反,如蛙类或乌龟的脚趾形成顺序为IV-V-III-II-I,胫骨也晚于腓骨形成。四足动物,特别是非羊膜动物在四肢早期发育过程中的模式差异被普遍认为也存在于之后的骨化过程(ossification)中。

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1 肉鳍鱼类胸/腹鳍到四足动物四肢的宏观演化以及前人所发现的现代四足动物中四肢发育极向性的对比。


在过去的一个世纪里,轴前优先性被认为是蝾螈类的特有、进步发育模式,而轴后优先性则代表四足动物原始的发育模式。最近十年来,研究人员发现轴前优先性也出现在了二叠纪时期(2.9-2.5亿年前)个别两栖动物离片椎类(temnospondyls)的手指和尺/桡骨的骨化过程中。而腕/跗骨的骨化模式在蝾螈类和已绝灭的原始四足动物中因受到骨化时间较晚和化石保存欠佳等因素的限制迟迟未能得到深入研究。

bob足球体育地空学院史前生命与环境研究所高克勤教授团队在长期的研究过程中积累了大量中生代和现代蝾螈类标本和数据。基于214件标本的高精度CT扫描和三维重建,贾佳博士后和高克勤教授及国内外合作者对蝾螈类63760个物种的腕/跗骨进行了骨化发育模式分析。研究对象涵盖了蝾螈类中腕/跗骨会发生骨化的所有现代和化石支系,同时也对多种已绝灭的早期四足动物,如壳椎类(lepospondyls)、离片椎类、羊膜类等进行了梳理。

该研究发现轴前优先性在四足动物多个类群的远端腕/跗骨骨化过程中存在,包括大部分蝾螈类、4种离片椎类(Archegosaurus, Amphibamus, Balanerpeton, Gerobatrachus)、1种原始壳椎类(Sauropleura)、1种原始羊膜类(Diadectes)2种原始四足动物(Greererpeton, Proterogyrinus)。若以手臂为例,即第1、2远端腕骨先于第3、4远端腕骨骨化。轴后优先性存在于包括所有蝾螈类在内的四足动物以及澳洲肺鱼的近端腕骨(如桡侧腕骨、y腕骨、中央腕骨、尺侧腕骨、间腕骨)的骨化过程中,即桡侧腕骨与y腕骨总是最后骨化并具有显著的延迟现象。同时轴后优先性也存在于较为进步的两个蝾螈类群(蝾螈科和无肺螈科)的远端腕骨的骨化过程中,即第4远端腕骨先于第1、2远端腕骨骨化。此外,该研究发现尺骨在靠近四足动物共同祖先的肉鳍鱼类中与大部分基骨和鳍条直接关节,在四足动物基干类群中与长轴后侧的掌骨和指骨直接关联,而在更为进步的四足动物冠群中则与远端腕骨直接关节,并且远端腕骨与手指数目形成了一一对应关系。更有意思的是,该项工作观察到远端腕骨在早期四足动物中先于所对应的尺侧手指丢失,而在蝾螈类中则晚于所对应的尺侧手指丢失。

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2 蝾螈类原始支系泛小鲵类(Panhynobia)的腕骨与跗骨骨化模式。其中远端腕/跗骨展现出轴前优先性,近端腕/跗骨展现出轴后优先性。

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3 蝾螈类进步支系蝾螈亚目(Salamandroidea)的腕骨与跗骨骨化模式。其中所有属种的近端腕/跗骨以及部分无肺螈科(D, Aneides; F-H, Thorius)和蝾螈科(K, Lyciasalamandra; L,M, Notophthalmus; O, Paramesotriton)的属种的远端腕骨展现出轴后优先性,其余属种的远端腕/跗骨展现出轴前优先性。


该研究表明四足动物的腕/跗骨内部存在不同的发育模式,不应再被认为是一个整体。远端腕/跗骨具有独立的发育模式和演化历史,是四足动物的演化新质。轴前优先性也不应被认为是蝾螈类或个别离片椎类所特有的、进步的发育方式,而是早期四足动物中普遍存在的、原始的肢骨发育模式。轴前优先发育模式的出现与幼体的类型(larval type,如池塘型、溪流型)和生活史类型(life history strategy,如变态发育、幼态持续等)无关,很可能与四肢运动过程中受到的运动应力限制有关。与众多在个体发育过程中较晚出现的结构易于在演化过程中较早丢失的现象相似,远端腕/跗骨所展现出来的轴前优先性促进了肢骨长轴后侧的指/趾数目的丢失,即四足动物由早期的多指/趾型向五指/趾型的演变,同时也对四足动物冠群中远端腕/跗骨与指/趾、掌骨形成一对一关系起到了稳定作用。

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4四足动物肢骨发育和演化模式

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5早期四足动物五指/趾型形成,远端腕骨和跗骨的起源和骨化极性对比


该项工作以Ossification patterns of the carpus and tarsus in salamanders and impacts of preaxial dominance on the fin-to-limb transition 发表在Science Advances上。文章链接为(https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq7669)。bob足球体育博雅博士后贾佳(现为加拿大卡尔加里大学博士后)为论文第一作者和通讯作者,芝加哥大学Neil Shubin教授及地空学院高克勤教授为共同通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金、中科院南京古生物研究所现代古生物学和地层学国家重点实验室开放课题、加拿大自然科学与工程委员会探索项目以及中科院先导A项目的支持。

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