5亿年前化石的发现揭示了被囊动物起源的惊人秘密

Megasiphon thylakos的艺术重建，一种直接生活在海底的底栖生物。Megasiphon thylakos也是固着的(不动的),利用其突出的虹吸管进行滤食。附近还重建了Marjum地层中常见的其他物种，M. thyalkos就是在该地层中发现的。附近的腕足动物(底部中间)和多刺海绵Choia(中间中间)在许多寒武纪环境中很常见。背景中是生活在多孔管中的半棘螈。鸣谢:弗朗兹·安东尼的原创作品

（化石网）据哈佛大学生物和进化生物系：Karma Nanglu说他最喜欢的动物是他正在研究的动物。但是他的最新研究课题可能会暂时保持第一的位置:一个来自奇妙的海洋无脊椎动物——被囊动物——的五亿年前的化石。

“这种动物是一个令人兴奋的发现，就像我挂在山的悬崖边或从直升机上跳下来时发现的一些东西一样。哈佛大学生物和进化生物系博士后研究员Nanglu说。

在《自然通讯》杂志的一项新研究中，Nanglu和合著者描述了新的化石，命名为Megasiphon thylakos，揭示了祖先的被囊动物作为静止的滤食成体生活，很可能从蝌蚪状的幼虫经历了蜕变。

被囊动物是真正奇怪的生物，有各种形状和大小，生活方式多种多样。成年被囊动物的基本形状是典型的桶状，有两个从身体伸出的虹吸管。其中一个虹吸管通过吸力吸入带有食物颗粒的水，允许动物使用内部的篮子状过滤装置进食。动物进食后，另一个虹吸管将水排出。

有两个主要的被囊动物谱系，海鞘(通常称为“海鞘”)和附肢动物。大多数海鞘开始时看起来像蝌蚪，会移动，然后变形为有两个虹吸管的桶形成体。它们成年后生活在海底。相比之下，附肢动物在成长为成年后仍保持着蝌蚪的样子，并在上层水域自由游动。

“这种想法是，它们开始时是蝌蚪状的幼虫，当准备发育时，基本上是用头撞击岩石，粘在岩石上，然后通过重新吸收自己的尾巴开始变形，变成有两个虹吸管的生物，这真是令人敬畏，”Nanglu说。

新寒武纪被囊动物Megasiphon thylakos(a，b)与一些现代被囊动物(c，d，e)的比较。特别是，类囊体具有现代海鞘被囊动物的圆形花瓶或桶状身体以及突出的一对虹吸管。鉴于类囊体已经有5亿年的历史，这表明祖先的被囊动物生活得很像现代的海鞘动物:它们有一个不动的成年形态，用虹吸管进行滤食，这是一种从蝌蚪状的幼体变形后形成的身体结构。代表的现代物种有c:海鞘，d:海鞘，e:莫尔古拉。致谢:鲁迪·勒罗西-奥布里(a，b)和卡玛·南格鲁(c，d，e)

有趣的是，被囊动物是脊椎动物的近亲，包括鱼类、哺乳动物，甚至人类。如果没有蝌蚪的出现，很难想象这种长相怪异的生物与脊椎动物有什么关系。被囊动物与脊椎动物的密切关系使得研究它们对于理解我们自己的进化起源至关重要。不幸的是，这并不容易，因为被囊动物几乎完全从整个化石记录中消失，只有少数化石令人信服地显示为该群体的成员。

由于化石如此之少，科学家们主要依靠从现代被囊动物物种那里获得的信息。因为没有人知道被囊动物最后一个共同祖先的形态和生态，科学家只能假设它要么是一种像海鞘一样有两个虹吸管的海底动物，要么是像附肢动物一样自由游泳的动物。

Megasiphon thylakos具有海鞘被囊动物的所有基本特征，一个桶形的身体和两个突出的虹吸管状生长物。但是这个团队最突出的特征是在化石身体上上下下的黑色条纹。

Megasiphon thylakos的高倍图像使研究人员能够与现代海鞘进行并排比较。研究人员使用现代被囊海鞘的解剖切片来识别巨型海鞘暗带的性质。比较揭示了海鞘的肌肉和在5亿年前的化石中观察到的黑色带之间的显著相似性，海鞘的肌肉允许被囊动物打开和关闭其虹吸管。

“巨型虹吸管的形态向我们表明，被囊动物的祖先生活方式涉及一种不动的成年动物，用它的大虹吸管过滤食物，”Nanglu说。“不仅发现了被囊动物化石，而且为这个神秘群体的早期进化起源提供了独特而无与伦比的视角，这非常罕见。”

Megasiphon thylakos是迄今为止发现的唯一具有软组织保存的确定的被囊动物化石。它是同类中最古老的，起源于犹他州中寒武纪Marjum地层。该化石在2019年参观犹他自然历史博物馆(UMNH)时被合著者研究助理鲁迪·勒罗西-奥布里(Rudy Lerosey-Aubril)和哈维尔·奥尔特加-埃尔南德斯(Javier Ortega-Hernández)教授(两人都在生物和进化生物学系)识别为被囊动物。

Megasiphon thylakos的解剖细节。有两个突出的虹吸管和一个桶形的身体。它也有突出的纵向肌肉，从虹吸管的顶端延伸到身体的底部。这些可以与现代被囊动物相媲美，包括在c和f中解剖的肠海鞘，甚至微米大小的单个肌肉纤维也可以在这种5亿年前的化石和现代被囊动物之间进行比较。致谢:詹姆斯·惠勒(a，d)和卡玛·南格鲁(b，c，e，f，g)

“化石立即引起了我们的注意，”奥尔特加-埃尔南德斯说，“尽管我们主要研究寒武纪节肢动物，如三叶虫及其软体亲戚，但巨型虹吸管与现代被囊动物的形态相似性太惊人了，不容忽视，我们立即知道化石将有一个有趣的故事可讲。”

Marjum地层的化石可以追溯到寒武纪大爆发后不久，这是地球历史上最重要的进化事件之一，发生在大约5.38亿年前。在此期间，最主要的动物群体首次出现在化石记录中，彻底改变了海洋生态系统。然而，被囊动物在寒武纪岩石中明显缺乏，尽管它们在现代海洋中丰富多样。

美国有许多保存完好的寒武纪化石遗址，但与加拿大的伯吉斯页岩和中国的澄江相比，这些遗址往往被忽视。“巨型虹吸管的发现完美地解释了为什么哈维尔和我在过去的十年里一直在犹他州进行实地调查，”Lerosey-Aubril说。“Marjum地层现在吸引了我们所有的注意力，因为我们知道它保存了动物群体的化石，如被囊动物或梳状水母，它们几乎完全不存在于寒武纪化石记录中。”

分子钟估计表明海鞘起源于4.5亿年前。然而，在5亿年前，类囊体为古代被囊动物的解剖和它们最早的进化历史提供了最清晰的视角。值得注意的是，类囊体提供了证据，证明大多数现代被囊动物的身体结构在寒武纪大爆发后不久就已经建立了。

“鉴于化石保存的特殊质量和年龄，我们实际上可以说相当多的被囊动物的进化史，”Nanglu说。“这是一个令人难以置信的发现，因为在此之前，我们几乎没有确凿的证据证明这个群体的祖先生活方式。”

在今年春天再次收集了数百个新化石后，研究人员确信Marjum地层才刚刚开始揭示它的秘密。