乘风破浪的“虫形漂流瓶”总算解开身世之谜

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2020年09月25日 07:22:16
来源:科学大院

(图片来源:veer图库)

(图片来源:veer图库)

在数亿年前的沉积岩中,也有一种形状像“漂流瓶”一样的化石,它是远古的海洋生物。虽然我们无法用肉眼直接看到它,但在年代地层和生物地层对比中,它有着举足轻重的作用。

它长这样:

几丁虫(来源:Thijs Vandenbroucke组装合成,图中含有5个不同类群的几丁虫)

几丁虫(来源:Thijs Vandenbroucke组装合成,图中含有5个不同类群的几丁虫)

不同于活跃在生物必修课本里的草履虫,自1931年被首次报道以来,关于TA是什么,如何繁衍后代,就一直被人们所记挂。今天大院er来扒一扒海底的八卦吧~

几丁虫是何方神圣?

几丁虫是生存于距今5到3亿年前(科学记名: 奥陶纪至泥盆纪)的海洋微体生物。其体态微小,在浩瀚海洋中,大小不过50-2000微米的几丁虫是名副其实的“沧海一粟”。其形状类似于各种小瓶、小罐或小棒,肉眼望去,只有一个小黑点,只有在显微镜下才能窥得其真身。

但由于它的演化速率快(每个类群生活史比较短)、分布广而数量大(易于获取)、形态构造简单(易于掌握),这类体不起眼的小化石却体“微”而“言”重,是科学界解译“奥陶纪生物大幅射”、“奥陶纪末生物大灭绝”等关键生物、环境事件的关键角色。同时,它们还能作为生物地层对比的工具,较为准确的卡定地层时代及恢复古环境,在一定程度上有效地协助了人们寻找石油、矿产等资源。

罐装、棒状,瓶装的几丁虫,比例尺线段代表100 微米(来源:梁艳)

罐装、棒状,瓶装的几丁虫,比例尺线段代表100 微米(来源:梁艳)

然而,自1931年被正式建名报道以来,研究人员始终对这种微小的有机质化石归属何种生物争论不休。在上世纪80年代之前,研究者们通常根据其形态特征,将几丁虫与根足虫、纤毛虫、鞭毛虫、有孔虫等原生动物进行联系、比较。1963年,随着一批呈茧状保存标本的问世,几丁虫逐渐被越来越多的学者认为是某类后生动物卵或卵囊。但这两种结论都没有确切证据支持。

小虫好似“漂流瓶”

形似“漂流瓶”的海洋微生物,终于在当下拥有了更为可信的“ID”身份。

2019年,中国科学院南京地质古生物研究所副研究员梁艳、唐鹏等与来自爱沙尼亚、美国、英国和中南大学的古生物学家们聚焦几丁虫壳体大小的形态学差异,就几丁虫的生物学属性提出了新的看法。该成果于2019年7月31日在线发表在国际生物研究期刊英国《皇家学会学报B》(Proceedings of the Royal Society B)上。

研究人员对美国俄亥俄州上奥陶统保存精美的一新种(Hercochitina violana sp. nov.)的形态大小进行了无差别度量。研究显示,在显微镜下,几丁虫呈黑棕色,根据科学家提供的图片资料,几丁虫外形为长颈瓶状、壶状或圆筒状,看起来就像个光滑的“漂流瓶”。最大最小标本的壳体长度相差3倍多,其形态从矮胖逐渐变成了瘦长。与此同时,无论高矮胖瘦,标本体表所具有的特征纹饰均稳定呈现,从口部的简单刺到中部的多根刺再到底部的从状刺,越来越复杂。这意味着几丁虫呈纵向生长的的趋势。

Hercochitina violana sp. nov. 的扫描电镜图像

Hercochitina violana sp. nov. 的扫描电镜图像

(来源:Proceedings of the Royal Society B)

为了进一步探索几丁虫的身份,研究人员收集整理了前人发表的57属(目前已知报道的所有属)378种几丁虫的最大最小壳长比,将其与来自现代水生6门10纲45种无脊椎动物卵的大小差异值进行了类比研究。对比结果显示,当度量标本的数量足够时,几丁虫壳体的大小差异明显大于现代水生无脊椎动物卵的大小差异,说明其为后生动物的卵的可能性极低,而更可能为一类独立的微体生物。

生殖就像“挤牙膏”

几丁虫怎么“生孩子”?是像草履虫那样直接分裂吗?并不是。

2020年,中国科学院南京地质古生物研究所副研究员梁艳等古生物学家采用采用近红外显微成像、显微CT、双束电子扫描和场发射电子成像等多项技术手段,进一步就几丁虫的生物学属性开展了新的研究,并取得了新的认识。这一研究成果日前已在国际地学期刊《地质学》(Geology)在线发表。

在成千上万枚化石中,他们发现长久以来被认为是畸变的特异标本实则是记录几丁虫生殖瞬间的关键材料。

在显微CT的观测下,每个处于生殖期的母系标本体内都有子代标本的壳体(来源:Geology)

在显微CT的观测下,每个处于生殖期的母系标本体内都有子代标本的壳体(来源:Geology)

通过一系列研究,几丁虫“挤牙膏”般的生殖过程得以大白于天下:首先,母体的底部慢慢变厚,一个形态相同、个体略小的幼体会从母体的底部冒出头来——即“出芽”;当幼体在母体内长出外壳后,发育成熟,就与母体脱离,母体底部的“洞”则慢慢回缩消失。

通过观察研究者们从中识别出几丁虫的两种生殖模式:一个几丁虫妈妈一次生下一个几丁虫宝宝(一个母体一次繁殖一个后代),或者一次生下多个几丁虫宝宝(一个母体一次繁殖多个后代)。一个的生殖模式是通过子代复制母体的形态特征来产生新的个体,新个体一旦脱离母体,就已经是一个与母体具有高度一致形态特征的完成体。新个体一旦离开母体就是一个独立的个体,可以独自生活。

几丁虫生殖过程复原示意图(来源:Geology)

几丁虫生殖过程复原示意图(来源:Geology)

几丁虫与一些原生动物相似,但大部分带壳的原生生物都没有盖子,软体或软体的触手可以伸出体外,获取食物,与外界进行交流,但是几丁虫的“盖子”很紧密,既不从外界环境获得食物,也无法向外进行废物排泄。科研人员利用显微CT观察,发现几丁虫宝宝的底部都有一个“洞”,这个构造的发现十分重要,在之前研究的标本中都没有这个洞的存在。这表明,几丁虫在生殖过程中是可以与外界环境进行物质交换的,而后其又会恢复壳体紧闭的状态,直到再下一次生殖。这类似于蛇、熊等生物的冬眠。

几丁虫底部的“洞”(来源:Geology)

几丁虫底部的“洞”(来源:Geology)

通过对几丁虫的超微结构和生殖方式的最新研究,证实了几丁虫可以“生娃”,也就佐证了几丁虫不是“卵”;结合几丁虫呈辐射对称的有机质壳体、广泛的古地理分布和生态分布、显著的种内差异,提出几丁虫为一类古海洋微生物,而非任何后生动物的卵或者是卵囊;其壳体的大小、形态及生殖方式更接近于原生生物。

“验明正身”又如何?

研究这么微小的且已灭绝的生物有什么意义?

对于古生物学家而言,最关注的也是最具吸引力的一项研究无非是弄清楚一个原先生物学属性不明的生物究竟是什么?更遑论是几丁虫这类既具有非常重要的生物地层学意义,又具有重要演化意义的生物门类。

研究团队人员表示,此次研究的最大的收获在于,明确了几丁虫是一种独立的生物,具有其独特的系统发生、发展与演化过程。为它“验明正身”后,将有利于科学界更完整地认识该类生物的分类与繁衍,也使得后续揭示这类生物发生与发展的、更本质的研究成为可能。

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