4亿年前这条鱼揭示古鱼类游泳速度如何演化

鱼类究竟是如何演化出“颌”这种重要结构的？过去有假说认为，是它们越来越快地游泳速度所导致的。

近日，《国家科学评论》在线发表了中国科学院古脊椎动物与古人类研究所（以下简称古脊椎所）与英国布里斯托大学合作完成的最新研究成果。他们在广西早泥盆世（约4.1亿年前）古鱼类特异埋藏生物群中发现了首个完整保存尾鳍的盔甲鱼类——九尾狐甲鱼。

研究团队对尾鳍的几何形态进行了游泳速度分析发现，盔甲鱼类是一类游泳能力较强的快速游泳者，它的巡航游泳速度甚至要比一些更进步的有颌鱼类还要快，从而否定了传统的“积极的捕食策略倾向导致有颌类起源”假说。

九尾狐甲鱼生态复原图。杨定华绘

九尾狐甲鱼及其一起特异保存的盾皮鱼类化石标本照片。盖志琨摄

中国的盔甲鱼类已经有110年的发现史，但由于盔甲鱼类的身体主要有软骨和零散的鳞片组成，几乎很难完整的保存为化石。

2022年，古脊椎所研究团队首次在 “重庆特异埋藏化石库”中发现了世界上第一个具有完整身体保存的盔甲鱼类化石——灵动土家鱼，但由于尾鳍的细节并没有保存，成为了解决盔甲鱼类头后身体解剖难题所缺失的最后一块拼图。

“此次九尾狐甲鱼的发现，正好弥补了重庆生物群中灵动土家鱼尾鳍保存不完整的缺憾，从而集齐了解决盔甲鱼类头后身体解剖难题的所有拼图。”论文一作、古脊椎所研究员盖志琨表示。

研究发现，盔甲鱼类除了拥有典型的下歪尾，尾鳍还具有9个手指状的分叉，是原始的叉形尾，上面覆盖有整齐排列的鳞质鳍条，表明鳍条之下有强壮的辐状肌附着。

“让人惊讶的是，九尾狐甲鱼的9个手指状分叉分别保存了舒张和收缩两种不同的状态，这指示了盔甲鱼可能是灵活的游泳者，能够很好地利用肌肉收缩来控制尾鳍与水流的接触面积，从而产生不同的推动力。” 盖志琨解释。

游泳能力对于鱼类的生存至关重要，而游泳速度则是评价鱼类游泳能力的重要指标，能够反映出鱼类的活动指数及其代谢水平。其中，鱼类尾鳍的面积和形状一直被认为是检验鱼类游泳能力的关键指标，可以用来分析鱼类的巡航游速和爆发游速。正是由于九尾狐甲鱼尾鳍的特异保存，使得研究人员能利用新的方法模型对盔甲鱼类的游泳速度进行分析预测。

研究团队综合了包括软骨鱼类和硬骨鱼类在内的61个现生属种和160个现生鱼类游泳速度的数据库，对已经灭绝的古生代鱼类的43个属种，采用最大似然法对包括盔甲鱼类在内4500个早期脊椎动物系统发育树进行了综合的游泳速度模型分析。结果发现，盔甲鱼类和缺甲鱼类的游动速度最快，而盾皮鱼类、骨甲鱼类和异甲鱼类的的游动速度较慢慢。

过去有假说认为，早期脊椎动物演化的特点是朝着越来越活跃的食物获取方向演化，也就是向着游泳速度越来越快的方向发展，并最终导致了有颌类的起源。盖志琨表示，这项研究却表明了，这些早期鱼类的巡航游度与系统发育树并不存在关联性。

“因为巡航速度最快的缺甲鱼类却跟现生有颌类的亲缘关系比较远，而跟现生有颌类亲缘关系最近的骨甲鱼类和盾皮鱼类的巡航游速却是最慢的。而且，我们通过对巡航游泳速度的系统发育分析显示，盔甲鱼类比更进步的骨甲鱼类和盾皮鱼类拥有更好的运动能力和更高的代谢水平。”

该研究认为，这些无颌的甲胄鱼类早在颌起源之前就已经发展出一定生态多样性，并占据了不同生态位。这种生态位上的多样化使这些原始的甲胄鱼类至少在一定程度上获得了一些比有颌类更加出色的运动优势。