揭开黑珊瑚早期演化的神秘面纱：新发现与深远意义

《Communications Biology》：Unveiling the early evolution of black corals

为解决黑珊瑚化石记录稀少、亲缘关系存争议及演化趋势不明等问题，研究人员开展了黑珊瑚早期演化相关研究。他们描述了中国陕西中奥陶世的两个过渡物种，建立新科 Sterictopathidae fam. nov.，为黑珊瑚早期演化研究提供新视角12。

　　在广袤深邃的海洋世界里，黑珊瑚宛如神秘的暗夜精灵，静静地在深海中繁衍生息。它们不仅是海洋生态系统中不可或缺的一环，有着重要的生态意义，还因独特的形态在文化领域备受关注。然而，长期以来，黑珊瑚的早期演化历史犹如一团迷雾，困扰着科学界。

从分子钟估算结果来看，黑珊瑚被推断起源于埃迪卡拉纪或寒武纪，可在漫长的地质历史长河中，其化石记录却少得可怜，与数量丰富的钙质珊瑚化石形成鲜明对比。目前已知的黑珊瑚化石，仅有来自中国湖北早奥陶世的 Sinopathidae 科，包含 Sinopathes 和 Sterictopathes 属。但这些化石与现存物种在形态上差异巨大，导致 Sinopathidae 科的亲缘关系备受质疑，比如 Sinopathes reptans 的刺形态与现代黑珊瑚大相径庭，其表面有独特的纵向肋纹，还有带中央管的管状刺，这使得它的分类地位扑朔迷离，甚至有人猜测它与水螅虫类的 Hydractinia 关系密切。而 Sterictopathes 属的典型特征，如光滑刺形成的吻合网络和辐射状板状脊，在现存黑珊瑚中也不见踪影。在这样的背景下，研究黑珊瑚早期演化迫在眉睫，它对于深入理解海洋生物的演化历程、生态适应以及生物多样性的形成至关重要。

为了揭开黑珊瑚早期演化的神秘面纱，西北大学陕西早期生命与环境重点实验室（SKLELE）、大陆演化与早期生命国家重点实验室（SKLCEE）等多机构的研究人员携手展开了深入研究。研究人员从中国陕西宁强县范家沟剖面的中奥陶世西梁寺组（Xiliangsi Formation）以及湖北黄花采石场的早奥陶世芬香组（Fenxiang Formation）采集了大量化石标本。经过不懈努力，他们描述了两个属于 Sterictopathes 的过渡物种，分别是 Sterictopathes seira sp. nov. 和 Sterictopathes sp.，并将 Sterictopathes 属提升为一个新科 ——Sterictopathidae fam. nov.。这一发现意义非凡，填补了早奥陶世 Sterictopathes 与现存黑珊瑚之间的化石空白，为黑珊瑚早期演化研究开辟了新的道路。该研究成果发表在《Communications Biology》杂志上。

研究人员在研究过程中运用了多种关键技术方法。首先，利用扫描电子显微镜（SEM）对所有研究的黑珊瑚标本以及同地层的其他生物进行成像，清晰地观察到了化石的微观结构特征。其次，借助 X 射线断层扫描显微镜（Micro-CT）对部分化石和现存黑珊瑚进行扫描，并通过特定软件对图像和视频进行处理，获取了三维结构信息。再者，运用能量色散 X 射线光谱仪（EDS）对部分标本进行成分分析。最后，通过贝叶斯推断进行系统发育分析，构建形态学树、分子树以及结合两者的共识树。

下面详细介绍研究结果：

• 系统古生物学（Systematic paleontology）：研究人员详细描述了新科 Sterictopathidae fam. nov. 的特征，其珊瑚体由覆盖着刺和高脊的基底板和直立分支茎组成，刺呈圆柱形至圆锥形，分布不规则。同时，对新物种 Sterictopathes seira sp. nov. 进行了深入刻画，其分支角度约 45°，表面有丰富的刺、脊和网络结构，刺多为窄圆锥形至圆柱形，部分有分叉。还介绍了暂定为 Sterictopathes sp. 的物种，其网络结构的腔为平底，刺短且圆锥形，由较少的直脊支撑345。
• 系统发育（Phylogeny）：通过构建不同的系统发育树发现，无论是形态学树还是结合形态和分子数据的共识树，都支持 Sterictopathidae 作为 Antipatharia 的一部分形成单系分支。这表明该新科在黑珊瑚的演化关系中具有明确的位置，为黑珊瑚的系统分类提供了重要依据67。
• 黑珊瑚亲缘关系（Black coral affinities）：Sterictopathidae 和 Sinopathidae 都具有与现存黑珊瑚相似的骨骼刺和多层同心结构。新发现的过渡物种为黑珊瑚亲缘关系提供了关键证据，支持了 Sterictopathidae 的 Antipatharia 亲缘关系。虽然 Sinopathidae 的亲缘关系仍存在一些争议，但研究推测其可能是 Antipatharia 的干群89。
• 黑珊瑚骨骼中刺脊连接的演化（Evolution of spine-ridge junctions in the black coral skeleton）：研究人员根据新发现的过渡物种，提出了黑珊瑚骨骼规律性的演化假设。从早期奥陶世到现代，黑珊瑚骨骼中刺脊连接的数量逐渐减少，刺的排列变得更加规则。早期的祖先可能具有不规则的网络和完整短脊，到现代黑珊瑚，网络被孤立的刺或由不明显纵向脊连接的刺所取代1011。
• 网络的兴起和纵向融合（The rise and longitudinal fusion of networks）：由于奥陶纪黑珊瑚缺乏软组织保存，其软组织与轴向骨骼的关系尚不明确。研究人员推测 Sterictopathidae 中网络的深凹陷和脊可能分别对应于珊瑚虫的坑和有机鞘壁，网络的扩张和纵向融合可能有利于珊瑚虫的生长、营养共享以及抵抗水流和捕食者1213。
• Antipatharia 直立轴向骨骼的起源（Origin of the antipatharian erect axial skeleton）：结合其他珊瑚类群的演化以及分子系统发育研究，研究人员认为在寒武纪 - 奥陶纪的海洋环境中，生态竞争促使了黑珊瑚向上生长，其直立轴向骨骼可能是通过每年分泌的基底薄片堆叠形成，类似其他化石珊瑚的结构1415。

研究结论和讨论部分，这些新发现和研究成果具有极其重要的意义。新物种和新科的建立，填补了黑珊瑚化石记录的空白，为研究黑珊瑚的早期演化提供了关键的中间环节。通过对骨骼结构和演化趋势的研究，揭示了黑珊瑚在漫长地质历史时期中的形态变化规律，有助于深入理解海洋生物的演化历程和生态适应策略。同时，对于 Sinopathidae 亲缘关系的探讨，虽然尚未完全解决争议，但为后续研究指明了方向。此外，研究还对黑珊瑚软组织与骨骼的关系、直立轴向骨骼的起源等问题提出了新的见解，丰富了人们对黑珊瑚生物学特征的认识。这些成果不仅推动了黑珊瑚研究领域的发展，也为整个海洋生物演化研究提供了宝贵的参考，为进一步探索海洋生物的奥秘奠定了坚实的基础。