《Science》改写教科书对大脑进化的解释

根据一项新的研究，一种小型海洋生物的化石具有保存完好的神经系统，解决了一个世纪以来关于节肢动物大脑是如何进化的争论，节肢动物是动物王国中物种最丰富的群体。结合对化石神经系统的详细解剖研究和对在世后代基因表达模式的分析，他们得出结论:从寒武纪到今天，人类一直保持着一种共享的大脑组织蓝图。

　　

   

   

艺术家对一个5.25亿年前的Cardiodictyon catenulum的印象，这个catenulum位于沿海浅海底，从一个由光合细菌形成的小叠层石的庇护下出现。    

这篇题为《The Lower Cambrian Lobopodian Cardiodictyon Resolves the Origin of Euarthropod Brains》的论文由中国昆明云南大学古生物学云南重点实验室的侯先光和瑞典隆德大学和悉尼麦觉理大学生物科学系的Marcel Sayre共同撰写。一种死于5亿多年前的微小海洋生物的化石可能会迫使科学教科书重写大脑的进化过程。

发表在《Science》杂志上的一项研究，亚利桑那大学教授 Nicholas Strausfeld和伦敦国王学院进化神经科学准教授Frank Hirth首次详细描述了在中国云南省南部岩石中保存的类蠕虫动物Cardiodictyon catenuum。这具化石最初发现于1984年，长仅半英寸（小于1.5厘米），迄今为止，它隐藏着一个关键的秘密：一个精心保存的神经系统，包括大脑。

Strausfeld说:“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。”

Cardiodictyon属于一种已灭绝的动物，被称为铠甲叶足类动物，这种动物在寒武纪早期大量存在，当时几乎所有的主要动物谱系都出现在5.4亿至5亿年前的极短时间内。叶足类动物可能使用多对柔软、短粗的腿在海底活动，而这些腿缺少其后代的关节，即真节肢动物，在希腊语中的意思是“真正的关节足”。如今，叶足类的近亲是丝绒蠕虫，主要生活在澳大利亚、新西兰和南美洲。

这场争论可以追溯到19世纪  

Cardiodictyon的化石揭示了一种动物，其躯干分节，其中有称为神经节的神经结构的重复排列。这与它的头部和大脑形成鲜明对比，两者都缺乏任何分割的证据。

“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，以及它们的一些祖先化石，在一百多年来一直被认为是分割的，”Strausfeld说。

根据作者的说法，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，节肢动物是世界上物种最丰富的动物王国。节肢动物包括昆虫、甲壳纲动物、蜘蛛和其他蛛形纲动物，还有一些其他的谱系，如千足虫和蜈蚣。

“从19世纪80年代开始，生物学家注意到节肢动物典型的躯干明显分割的外观，并基本上推断到头部，”Hirth说。“这就是该领域如何得出假设头部是分割的躯干的前部延伸的结论。”

“但Cardiodictyon表明早期的头部没有分割，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是云南澄江动物群的一部分，澄江动物群是古生物学家侯先光发现的一个著名的化石沉积区。叶足类动物柔软细腻的身体在化石记录中保存完好，但除此之外Cardiodictyon它们的头部和大脑都没有被仔细研究过，可能是因为瓣足类动物通常都很小。最突出的部分Cardiodictyon是一系列三角形的鞍形结构，定义了每个部分，并作为对腿的连接点。早在寒武纪时期的更古老的岩石中就已经发现了这些元素。

“这告诉我们，带甲的叶足类动物可能是最早的节肢动物，”Strausfeld说，甚至比三叶虫还要早，三叶虫是一种标志性的海洋节肢动物，大约在2.5亿年前灭绝。

“直到最近，人们普遍认为‘大脑不会石化’，”Hirth说。“所以你一开始就不会期望找到保存着大脑的化石。其次，这种动物太小了，如果希望能找到它的大脑，你甚至不敢浪费时间看它。”

然而，过去10年的工作，大部分是由Strausfeld完成的，已经在各种节肢动物化石中发现了几例保存完好的大脑。

形成大脑的共同基因基础计划

在他们的新研究中，作者们不仅鉴定了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。结合对叶足类化石的详细解剖研究和对其后代基因表达模式的分析，他们得出结论，从寒武纪到今天，大脑组织的共同蓝图一直保持着。

“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以及它们是如何形成的。”

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

Hirth补充道：“我们意识到，每个大脑区域及其相应的特征都是由相同的基因组合指定的，与我们观察的物种无关。”“这表明大脑的形成有一个共同的基因基础计划。”

脊椎动物大脑进化的教训  

Hirth和Strausfeld表示，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，当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，这一点具有重要意义，因为脊椎动物的结构相似，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，当地球在气候变化的影响下发生巨大变化时，这种连续性仍然存在。

“在重大地质和气候事件重塑地球的时候，简单的海洋动物，比如Cardiodictyon产生了世界上最多样化的生物体群——真节肢动物——它们最终扩散到地球上的每一个新兴栖息地，但它们现在正受到我们自己的短暂物种的威胁。”