云南大学科研团队用显微CT揭示寒武纪大附肢类真节肢动物头部口板特征-云南大学党委教师工作部·人事处·人才工作办公室

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云南大学科研团队用显微CT揭示寒武纪大附肢类真节肢动物头部口板特征

来源:新濠新天地登录网址 发布时间: 2020年06月26日 阅读次数:

北京时间202062523:00,美国《细胞》Cell)出版集团子刊《当代生物学》(Current Biology,影响因子9.193)以报道(Report)形式在线发表了云南大学古生物研究院云南省古生物研究重点实验室刘煜研究员、侯先光研究员、翟大有研究员与哈佛大学Javier Ortega-Hernández副教授共同完成的题为寒武纪大附肢类真节肢动物中不完全发育的口板A reduced labrum in a Cambrian great-appendage euarthropod)的研究论文。此项研究是该研究团队在继2016年于国际权威学术期刊《美国科学院院报》(PNAS)发文报道2毫米长迷人林乔利虫幼虫后的又一专门针对澄江节肢动物个体发育的研究,突破了以往此类研究中仅能对动物个体发育过程中背甲结构的大小及形态变化进行报道的局限,利用显微CT技术为澄江节肢动物腿肢构造的发育生物学研究打开了新的窗口,并奠定了坚实的研究基础。

节肢动物是显生宙以来地球上物种多样性最高的动物门类。在漫长的地球历史时期,大多数曾经在地球上生活过的节肢动物物种都由于各种原因而灭绝,幸存的部分则逐渐演化为今天的螯肢动物(蜘蛛、蝎子等)、多足动物(蜈蚣、马陆等)和泛甲壳动物(虾、蟹、昆虫等)。云南昆明附近的寒武纪澄江生物群地层中保存了大量呈特异埋藏的化石标本,记录了节肢动物等诸多后生动物门类在距今5.18亿年前的寒武纪大爆发时期的繁盛。于2012年入选世界自然遗产的澄江生物群自19847月由侯先光研究员发现以来,为研究众多动物门类的早期演化、寒武纪大爆发的过程和机制等重要科学问题提供了大量珍贵素材。


插图1:澄江生物群迷人林乔利虫幼虫标本照片及CT三维图像

 

一直以来,研究者们对澄江化石的形态学观察主要局限于使用光学显微镜等传统成像技术对化石表面上所保存的二维结构的观察上,而保存在化石标本内部的动物身体结构信息则只能通过耗时且具破坏性的钢针修理等方法进行研究。正因为如此,研究者对早期节肢动物身体许多重要的精细结构(如:口板)是否真正存在这一科学问题,只能通过分支分析(phylogeny)等方法进行推测。即便推测准确,研究者们也无法对这类精细结构的真实形态进行展示。现在,在高精度显微CT的帮助下,研究人员得以通过无损的研究方式对澄江节肢动物身体的精细结构进行任意角度的高精度复原与观察,使用计算机三维软件对它们的身体模型进行虚拟解剖并分离出身体的各部分结构进行深入研究。

本次发表的论文正是借助了显微CT及计算机三维复原的手段,首次清晰揭示了寒武纪大附肢类节肢动物——迷人林乔利虫(Leanchoilia illecebrosa)头部保存的口板等精细结构(插图1)。此项研究的对象是该物种的两枚呈三维立体保存的幼虫化石,体长分别为5毫米及7毫米。研究发现,迷人林乔利虫在体长仅为5毫米的幼虫期,眼睛后长有一个明显的口板,口板表面还长有一对小突起(插图1,左图)。通过使用开源计算机三维复原软件Drishtihttp://github.com/nci/drishti/releases),研究人员对一枚体长仅为7毫米的迷人林乔利虫幼虫化石的大附肢进行擦除后发现,在该生长期动物口板在其头部所占的比例有所减小(插图2,左图),说明口板结构在该物种的个体发育进程中有可能存在不完全发育的现象。这一细微结构是使用传统的研究手段无法观察和研究的。此外,研究人员还对动物头部进行了纵向数码切割(digital section),发现了该口板结构下往体内延伸的狭窄的咽部通道(插图2,右图箭头所示),这与在该物种的成虫标本上观察到的情况一致。


插图2:澄江生物群迷人林乔利虫幼虫头部CT三维图像(左图)及纵向解剖图(右图)

 


随后,研究人员将化石数据与现生节肢动物胚胎发育数据进行了对比研究(插图3),发现迷人林乔利虫作为螯肢类节肢动物(如:蜘蛛、蝎子等)在寒武纪时期的代表,已经进化出明显的、与现生节肢动物口板同源的结构。说明现生节肢动物中普遍存在的这一位于口前的突起构造早在5.18亿年前的干群螯肢动物中就已出现,为古生物学界、进化生物学界深入认识长久以来一直困扰着研究人员的节肢动物头部问题(Arthropod Head Problem)提供了直接的化石证据。


插图3:现生节肢动物胚胎。左图:蜘蛛;右图:蟋蟀

(扫描电镜数据来自于刘煜2009年博士毕业论文)


此次发表的论文中,研究人员还就射齿类动物(如:奇虾)身体结构中可能与真节肢动物口板同源的结构展开了讨论。射齿类动物的大爪肢是否是真节肢动物口板的同源结构,是研究人员下一阶段要解决的科学问题,让我们拭目以待。

本研究受国家自然科学基金委员会及云南省科技厅资助。

云南大学古生物研究院云南省古生物研究重点实验室 供稿



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