研究人员可视化3.8亿年前鱼类的心脏

吨三亿八千万年前，GogoLagerstätte是最早的珊瑚礁之一。现在，这个巨大的露头位于澳大利亚沙漠的中央。它的石灰岩峭壁毗邻一大片黑色的粉质土壤，其中包含保存完好的泥盆纪时期的化石。

自1940年以来，研究人员开始收集散布在戈戈各处的岩石中隐藏的古代鱼类化石。几十年前，他们有了一个惊人的发现：古代海洋缺氧的环境不仅保存了早期脊椎动物的骨骼，还保存了它们的软组织和器官。在今天(9月15日)发表在《科学》杂志上的一篇论文中，澳大利亚科学家报告说，他们首次可视化了我们早期有颌祖先的多个标本内的软器官。令他们惊讶的是，他们发现这些古代脊椎动物的内部结构与包括人类在内的现代动物有着惊人的相似之处。

最常见的是，保存在化石记录中的是骨头。“你只会偶尔得到软组织保存的例子，”芝加哥大学的古生物学家迈克尔科茨解释说，他没有参与这项研究。“这是研究人员第一次将大量软组织信息汇集在一起​​，以考虑将心脏和其他组织重组到身体的前端。”

该研究的重点是已灭绝的Arthrodira目中的有颌鱼类，特别是Bothriolepiscompagopiscis和Bothriolepisincisoscutum。当它们还活着的时候，鱼在浅水中生活和觅食。一旦他们死了，潮水就会把他们卷到更远的海里，到达缺氧、富含细菌的深处。在那里，细菌在里面和外面涂上一层厚厚的粘液，随着时间的推移，粘液会吸引碳酸钙沉积物，从而保存它们。“垂死的细菌复制了器官的形状，”研究合著者、科廷大学脊椎动物古生物学家KateTrinajstic解释说。

这些碳酸盐壳无法与研究人员几十年来用来溶解岩石和揭开化石中骨骼的弱酸相提并论，Trinajstic说这种技术无意中破坏了所有保存下来的软组织。但是“在2000年，我的一位同事注意到了一些白色的小碎片，并在显微镜下观察后发现那是肌肉。”Trinajstic说，她的团队花了13年的时间才找到足够的肌肉来绘制一条鱼的肌肉组织图，这要归功于欧洲同步加速器设施，使研究人员能够在不使用酸的情况下对样本进行成像。

研究人员使用传播相位对比同步加速器X射线显微断层扫描(PPC-SRmCT)和中子断层扫描技术分析了器官的形状，这些技术用于显示固体内部的详细横截面。

Trinajstic回忆说，当她和她的同事第一次在另一个同步加速器设施——澳大利亚核科学技术组织(AustralianNuclearScienceandTechnologyOrganisation)通过扫描结果看到保存完好的3.8亿年前鱼类的心脏时，感到震惊。“当我看到它时，有一种难以置信的惊奇感，”她说。“在我最疯狂的梦想中，我从未想过我会在如此古老的东西中看到一颗保存完好的心脏。”

除了心脏，该团队还鉴定了这些早期有颌脊椎动物的多个标本的肝脏和消化道，这使他们能够与现代鱼类和其他已灭绝的鱼类进行比较。

人们认为现代无颌鱼(如七鳃鳗)的心脏与泥盆纪及更早时期的无颌鱼非常相似。无颌鱼有一颗并排放置的腔室的心脏、一个相对较小的肝脏和一条长而不分段的消化道。该研究发现，从无颌祖先进化而来的有颌鱼似乎在其历史早期就同时发展了几种现代特征。除了下颚，他们还发育出独特的S形心脏，其中一个腔室位于另一个腔室之上，心脏被重新定位到喉咙后部，刚好在鳃下方。在七鳃鳗中，心脏位于身体更靠后的地方，在鳃的后面。这些古老的有颚鱼也有一个大而有活力的肝脏、一个分层的胃和一个有多个腔室的消化道，

Trinajstic说：“我认为进化是缓慢且逐步的，”但这些发现表明，我们在现代脊椎动物身上看到的一些特征几乎是同时出现的。“我们看到的是……..当出现创新时，它往往不是一回事，它往往是一连串的事情突然爆发。”

Trinajstic说，在一些标本中，他们在鱼的消化道内发现了最后一餐的残余物。此前，研究人员还发现了胚胎，表明这些鱼产下了幼崽而不是产卵。但是Trinajstic和她的团队并没有在这些节肢动物身上发现肺，提供证据反对肺部在鱼类早期进化的理论。同样具有古老血统的鲨鱼没有肺，而现代的硬骨鱼则有。“其中一个大问题是肺是否是一种原始特征，”Trinajstic说。以前，科学家们不确定鲨鱼是否曾经有过肺，但在进化史上的某个时候失去了它们。“这实际上表明，我们最早的有颌脊椎动物之一盾皮动物没有肺，”她说，这表明鲨鱼可能从一开始就没有肺。

Trinajstic说，这些发现现在让研究人员能够区分关于早期有颌鱼类系统发育的相互竞争的假设，表明现代鲨鱼的内部结构比盾皮鱼目中的其他鱼类更接近Bothriolepis。

科茨说，他对有颌鱼的大肝脏和分段肠道并不感到惊讶，但他表示，这些早期有颌脊椎动物心脏的形状和位置是“我们以前无法看到的。”...这是了不起的东西。”

Trinajstic说，展望未来，她想研究其他盾皮动物标本并寻找其他器官。“我现在有一些有头的，我可以看到他们的眼睛在那里。下一步是，我的大脑在某个地方吗?”