5.25亿年前的化石违背了大脑进化的教科书解释

超过 50 亿年前死亡的一种微小海洋生物的化石可能会迫使一本科学教科书改写大脑是如何进化的。

由亚利桑那 大学神经科学系摄政教授尼古拉斯·斯特劳斯菲尔德和 伦敦国王学院进化神经科学读者 弗兰克·赫斯领导的《科学》杂志上发表的一项研究 首次详细描述了Cardiodictyon catenulum，这是一种保存完好的蠕虫状动物在中国南部云南省的岩石中。这块化石的长度只有半英寸(不到 1.5 厘米)，最初于 1984 年被发现，直到现在它还隐藏着一个重要的秘密：保存完好的神经系统，包括大脑。

“据我们所知，这是迄今为止我们所知道的最古老的大脑化石，”施特劳斯菲尔德说。

Cardiodictyon 属于一种已灭绝的动物群，被称为装甲叶足动物，它们在寒武纪早期大量存在，当时几乎所有主要动物谱系都在 5.4 亿至 5 亿年前的极短时间内出现。Lobopodians 可能使用多对柔软、粗短的腿在海底移动，这些腿没有后代的关节，即真节肢动物——希腊语为“真正的关节脚”。今天与叶足类动物关系最近的亲戚是主要生活在澳大利亚、新西兰和南美洲的丝绒蠕虫。

一场可追溯到 1800 年代的辩论

Cardiodictyon的化石 揭示了一种具有分段躯干的动物，其中有重复排列的神经结构，称为神经节。这与它的头部和大脑形成鲜明对比，两者都缺乏任何分割证据。

“这种解剖结构完全出乎意料，因为现代节肢动物的头部和大脑，以及它们的一些化石祖先，一百多年来一直被认为是分段的，”Strausfeld 说。

这组作者说，这一发现解决了关于节肢动物头部的起源和组成的长期而激烈的争论，节肢动物是世界上动物王国中物种最丰富的群体。节肢动物包括昆虫、甲壳类动物、蜘蛛和其他蛛形纲动物，以及其他一些谱系，例如千足虫和蜈蚣。

“从 1880 年代开始，生物学家就注意到节肢动物典型的躯干明显分段的外观，并基本上将其推断到头部，”Hirth 说。“假设头部是分段躯干的前部延伸，这就是该领域得出的结论。”

“但是 Cardiodictyon 表明早期的头部并没有被分割，它的大脑也没有，这表明大脑和躯干神经系统可能是分开进化的，”Strausfeld 说。

大脑确实会变成化石

Cardiodictyon 是澄江动物群的一部分，澄江动物群是云南省著名的化石矿床，由古生物学家侯先光发现。叶足动物柔软细腻的身体在化石记录中保存完好，但除了 Cardiodictyon 之外， 没有人对其头部和大脑进行过仔细检查，这可能是因为叶足动物通常都很小。Cardiodictyon最突出的部分 是一系列三角形、马鞍形结构，它们定义了每个节段，并作为成对腿的附着点。那些甚至可以追溯到寒武纪出现的更古老的岩石中发现的。

“这告诉我们，装甲叶足动物可能是最早的节肢动物，”Strausfeld 说，甚至早于三叶虫，三叶虫是一种标志性的多样化海洋节肢动物，大约在 2.5 亿年前灭绝。

“直到最近，普遍的理解是'大脑不会石化'，”Hirth 说。“所以你一开始就不会期望找到一块大脑保存完好的化石。其次，这种动物太小了，你甚至不敢为了找到大脑而看着它。”

然而，过去 10 年的工作(其中大部分由 Strausfeld 完成)已经在多种节肢动物化石中发现了几例保存完好的大脑。

制造大脑的共同基因基础计划

在他们的新研究中，作者不仅确定了 Cardiodictyon的大脑， 还将其与已知化石和现存节肢动物(包括蜘蛛和蜈蚣)的大脑进行了比较。结合对叶足动物化石的详细解剖学研究及其现存后代的基因表达模式分析，他们得出结论，从寒武纪到今天，大脑组织的共享蓝图一直存在。

“通过比较现存物种中已知的基因表达模式，”Hirth 说，“我们确定了所有大脑的共同特征及其形成方式。”

在 Cardiodictyon中，三个脑区分别与一对特征性的头部附件和前消化系统的三个部分之一相关联。

“我们意识到每个大脑区域及其相应的特征都由相同的组合基因指定，与我们观察的物种无关，”Hirth 补充道。“这表明了制造大脑的共同基因基础计划。”

脊椎动物大脑进化的教训

Hirth 和 Strausfeld 说，他们研究中描述的原理可能适用于节肢动物及其直系亲属以外的其他生物。他们说，这在将节肢动物的神经系统与脊椎动物的神经系统进行比较时具有重要意义，脊椎动物显示出相似的独特结构，其中前脑和中脑在遗传和发育上与脊髓不同。

Strausfeld 说，他们的发现还提供了一个信息，即地球在气候变化的影响下正在发生巨大变化。

“在重大的地质和气候事件重塑地球的时候，简单的海洋动物如 Cardiodictyon 产生了世界上最多样化的生物群——真节肢动物——它们最终传播到地球上每一个新兴的栖息地，但现在正在受到我们自己的短暂物种的威胁。”

这篇名为“下寒武纪 Lobopodian Cardiodictyon Resolves the Origin of Euarthropod Brains”的论文由中国昆明云南大学云南省古生物学重点实验室的侯贤光和在隆德隆德大学任职的 Marcel Sayre 共同撰写 ，瑞典和悉尼麦考瑞大学生物科学系。

这项工作的资金由国家科学基金会、亚利桑那大学董事会基金和英国生物技术与生物科学研究委员会提供。