5亿年前的化石，颠覆教科书中的脑进化

一种5亿多年前死亡的微小海洋生物化石，可能改写教科书中脑的进化方式。

近日，发表在《科学》上的一项研究详细描述了一种被称为链状心网虫（Cardiodictyon catenulum）的古生物，这是一种保存在中国云南南部岩石中的蠕虫状动物。

5.25亿年前浅海海底的链状心网虫的艺术家畅想图。（图／Nicholas Strausfeld）

研究分析的化石样本还不到1.5厘米长，它最初于1984年被发现，但直到现在，科学家才发现它还隐藏着一个重要的秘密：一个保存得很好的神经系统，包括脑。这应该是迄今为止已知的最古老的脑化石之一。

  一场百年辩论  

几乎所有的主要动物谱系，都是在5.4亿年到5亿年前寒武纪这段地质历史上的极短时期内出现的。链状心网虫正是寒武纪澄江动物群的一部分，也就是古生物学家侯先光在云南省发现的一个著名的化石群。

链状心网虫属于已灭绝的有甲叶足动物，这类生物在寒武纪早期数量非常丰富。叶足动物可能借助多对柔软、粗壮的足在海底移动，但这些足没有关节，这与它们的后代真节肢动物有明显差异。

经过数亿年的演变，如今，节肢动物已经成了世界上动物界物种最丰富的群体，昆虫、甲壳动物、蜘蛛和其他蛛形纲动物，加上其他一些谱系，比如千足虫和蜈蚣，都属于节肢动物。

从19世纪80年代开始，生物学家注意到了节肢动物典型的躯干明显分节的外观，并将它外推到了头部，得出了头部是分节躯干的前部延伸这样的结论。换句话说，现代节肢动物的头和脑，以及它们的一些祖先化石，一百多年来一直被认为是分节的。

但是，链状心网虫的解剖结构却完全出乎意料。叶足动物的柔软、精巧的身体很多在化石记录中保存得很好，但可能由于这类动物通常比较小，除了链状心网虫之外，科学家还没有仔细研究过任何一种化石的头部和脑。

链状心网虫化石。（图／Nicholas Strausfeld）

链状心网虫的化石显示，这种动物的躯干是分节的，其中有重复排列的神经结构，被称为神经节。这与它的头部和脑形成了鲜明的对比，头部和脑反而都缺乏分节的证据，也就是说，早期的头部并不是分节的。这也暗示着，脑和躯干的神经系统可能是分开进化的。

链状心网虫化石与重建。（图／Nicholas Strausfeld）

链状心网虫最突出的部分是一系列马鞍形的三角结构，这些结构界定了身体的每一节，并作为一对足的连接点。这些结构已经在更古老的岩石中被发现，它们可以追溯到寒武纪的开端。

这也告诉我们，有甲叶足动物可能是最早的节肢动物，甚至比最具标志性的三叶虫还要早。

  共同的遗传基础  

直到最近，人们的共识一直是，大脑不会变成化石。其次，这类古生物太小了，所以科学家很难想象其中会包含着保留脑的化石。然而，过去10年的研究已经在各种节肢动物化石中发现了保存脑的案例。

链状心网虫化石的头部。（图／Nicholas Strausfeld）

在新研究中，作者不仅确定了链状心网虫的脑，还将其与已知的化石和活的节肢动物，包括蜘蛛和蜈蚣的脑进行了比较。

结合对叶足动物化石的详细解剖学研究，和对它们活体后代的基因表达模式的分析，研究人员得出结论，从寒武纪到今天，一个共有的脑组织蓝图一直延续了下来。

通过比较活体物种已知的基因表达模式，研究人员确定了所有脑的共同特征以及它们是如何形成的。在链状心网虫中，三个脑区分别与一对特征性的头部附属物和前部消化系统的三个部分中的一个有关。

研究人员意识到，每个脑区及其相应的特征，都是由相同的基因组合指定的，无论哪个物种都是如此。这说明，存在着一种制造脑的共同遗传基础。

  脑进化的启示  

他们研究中描述的原则，也可能适用于节肢动物及其近亲之外的其他生物。比较节肢动物与脊椎动物的神经系统具有重要的意义，因为脊椎动物的神经系统显示出类似的独特结构。

新发现还提供了一种连续性的信息。在重大地质和气候事件重塑地球时，简单的海洋动物，比如链状心网虫，产生了世界上最多样化的生物群，并最终扩散到了地球上的每一个新兴的栖息地。但遗憾的是，它们也正受到如今地球变化的威胁。