研究发现：4.65亿年前海洋鱼类凸起，或为人类牙齿起源

人类牙齿敏感的内部构造，其源头可能来自一个意想不到的地方：4.65亿年前在地球海洋中畅游的鱼类所拥有的感觉组织。

尽管我们的牙齿表面覆盖着坚硬的牙釉质，但牙本质，负责将感觉信息传递到神经的牙齿内层组织，会对硬物咬合的压力、疼痛，或是极度寒冷、甜味等刺激做出反应。

在探寻牙齿起源的过程中，研究人员多年来考虑过多种可能性，其中之一便是牙齿可能是从古代鱼类装甲外骨骼上的凸起进化而来。不过，这些被称为“齿状体”的结构，其真正用途一直是个谜。

如今，一项新的研究借助化石的3D扫描技术，证实了外部凸起中含有牙本质，这或许能帮助鱼类感知周围环境。科学家们在周三出版的《自然》杂志上报告了这一发现。

“被这些敏感组织覆盖，当鱼类撞到东西时，或许能感知到压力，或者能察觉到水温何时变得过低，从而需要游向其他地方。”该研究的主要作者、芝加哥大学生物生物学和解剖学系博士后研究员亚拉·哈里迪博士在一封电子邮件中说道。

在分析过程中，研究团队还发现了齿状体与现代动物外壳上作为感觉器官存在的感器之间的相似性。感器存在于螃蟹、虾等现代动物的外壳中，在无脊椎动物节肢动物的化石里也能找到。哈里迪表示，鱼类（脊椎动物）的齿状体和节肢动物（无脊椎动物）的感器发育，是进化趋同的一个典型例子——即相似的特征在不同的动物群体中独立进化而来。

“这些无颌鱼和已灭绝的海洋节肢动物Aglaspidid有着非常遥远的共同祖先，可能根本没有坚硬的外骨骼部分。”哈里迪说，“但我们知道，脊椎动物和节肢动物各自独立进化出了坚硬的外骨骼，令人惊讶的是，它们还独立进化出了类似的感觉机制，并将其集成到了坚硬的外骨骼中。”

虽然节肢动物保留了它们的感器，但齿状体似乎是动物牙齿的直接前身。

当研究人员将化石与齿状体进行比较时，还意外地发现了一个曾被认为是古老鱼类的物种，实际上是一种节肢动物。

探寻最古老脊椎动物的奥秘。哈里迪最初的目标是揭开化石记录中最古老脊椎动物之谜。她联系了全国各地的博物馆，询问能否扫描他们收藏的寒武纪时期（距今5.4亿年至4.85亿年）的化石标本。

随后，她在阿贡国家实验室通宵达旦地工作，利用那里先进的光子源进行了高分辨率计算机断层扫描（CT）扫描。

“那是在粒子加速器旁度过的一夜，非常有趣。”哈里迪说。

乍一看，一种名为Anatolepis的生物化石，看上去像是一种脊椎动物鱼——事实上，1996年之前的研究就已认定它是脊椎动物。哈里迪和同事注意到，化石上有一系列充满疑似牙本质材料的孔洞。

“我们兴奋地互相击掌，就像在说‘哦，天哪，我们终于找到了’。”哈里迪说，“这将是寒武纪脊椎动物组织中第一个类似牙齿的结构。所以，当我们看到疑似牙本质的迹象时，别提多激动了。”

为了证实这一发现，研究团队将这些扫描结果与其他古代化石以及现代螃蟹、蜗牛、甲虫、鲨鱼、藤壶，甚至哈里迪自己饲养的微型吸盘口鲶鱼的扫描结果进行了对比。

这些对比表明，Anatolepis更类似于节肢动物化石，包括来自密尔沃基公共博物馆的化石。研究团队认为，那些衬有牙本质的小管实际上更类似于感器。

不过，他们在扫描过程中确实在Eriptychius和Astraspis等古代鱼类中发现了含有牙本质的齿状体。

对Anatolepis真实身份的困惑，源于化石的碎片化。哈里迪说，最完整的化石碎片只有大约3毫米大小，这对于依赖外部成像的比较研究来说，无疑是个挑战。

但她所进行的新扫描，让人们能够3D观察化石，揭示其内部解剖结构。

“这向我们表明，即便‘牙齿’不在嘴里，它们也可能具有感觉功能。”哈里迪说，“所以，这些鱼身上有敏感的盔甲，这些节肢动物也有敏感的盔甲。这就解释了为何人们会误以为Anatolepis是最早的脊椎动物，实际上它是一种节肢动物。”

荷兰莱顿Naturalis生物多样性中心的博士后研究员理查德·迪尔登博士表示，该研究中所使用的尖端现代成像技术，正在解决关于Anatolepis的争议。迪尔登并未参与这项新研究。

“研究作者利用尖端现代成像技术试图解决这一问题，收集了大量令人印象深刻的比较数据，从而令人信服地确定了Anatolepis并非脊椎动物。”迪尔登在一封电子邮件中说。

抵御恶劣环境的盔甲。像Astraspis和Eriptychius这样的装甲无颌鱼，与像Anatolepis这样的古老节肢动物，共同生活在奥陶纪时期的泥泞浅海中，奥陶纪距今4.854亿年至4.438亿年。

这些动物的其他同时代生物还包括大型头足类动物，如巨型鱿鱼，以及巨大的海蝎子。齿状体和感器等特征，有助于鱼类和节肢动物区分捕食者和猎物。

“当你想到这些早期动物身披盔甲在水中游动时，它们需要感知周围环境。这是一个充满掠食者的环境，能够感知周围水的特性至关重要。”芝加哥大学生物生物学和解剖学高级研究作者、罗伯特·R·本斯利杰出服务教授尼尔·舒宾博士在一份声明中说，“所以，我们在这里看到，像马蹄蟹这样有盔甲的无脊椎动物也需要感知世界，而它们恰好找到了同样的解决方案。”

哈里迪说，几种现代鱼类有齿状体，而鲨鱼、鳐鱼和一些鲶鱼则覆盖着被称为齿状物的小齿，使它们的皮肤摸起来像砂纸。

哈里迪研究了她饲养的鲶鱼的组织，发现它们的齿状物与神经的连接方式与动物的牙齿非常相似。她说，在比较牙齿、齿状体和感器时，它们都极为相似。

“我们认为最早的脊椎动物，这些大型盔甲鱼，至少在形态上具有非常相似的结构。它们在古代和现代节肢动物中看起来一样，因为它们都形成了这个矿化层，覆盖在软组织上并帮助它们感知环境。”哈里迪说。

据研究作者称，形成齿状体所需的基因，很可能后来也在动物（包括人类）中催生了敏感的牙齿。

研究作者指出，这些发现支持了这样一种观点：感觉结构首先出现在外骨骼上，随后外骨骼提供了遗传信息，这些信息被用于制造牙齿，因为牙齿成为了生命不可或缺的一部分。

“随着时间的推移，鱼类进化出了下颚，在周围和嘴里拥有尖锐的结构变得非常有利。”哈里迪说，“渐渐地，一些有颚的鱼在嘴的边缘长出了尖尖的齿状物，然后最终一些直接进入了嘴里，后来又消失在了全身。齿状体和牙齿之间的关系，正不断被新的化石和现代遗传学所阐明。”

日本冲绳科学技术研究所助理教授兼宏观进化部门负责人劳伦·萨兰博士表示，这项新研究通过将Anatolepis从生命的鱼树中移除，完善了硬组织和有颌鱼类最早祖先首次出现的时间线。萨兰并未参与这项新研究，她说，这项研究还提出了一个有趣的新假设：牙齿的鳞片状前体进化出来是为了探测水中的猎物、同类或捕食者。

“这对看似显而易见的假设构成了真正的挑战，即牙本质等硬组织以及鳞片和牙齿等结构（主要）是为了保护身体或在喉咙中进食。”萨兰说，“相反，它们可能已经被‘改造’（随后被修改）用于这些用途，就像四肢在被用来在陆地上行走之前是如何进化的一样。看到早期装甲节肢动物和鱼类之间的趋同程度也很有趣，并提出了关于这两个群体之间有多少生态重叠的问题。”

哈里迪希望继续寻找可能导致最古老脊椎动物的化石，因为研究人员预计存在比Astraspis和Eriptychius更早的脊椎动物。舒宾在一封电子邮件中说，尽管他们没有通过这项研究发现最古老的脊椎动物，但他们做出了有价值的发现。

“我们对不是脊椎动物感到失望，但我们对出现的新想法感到惊讶。”舒宾说，“这把我们带到了一个全新的方向。这就是科学。”

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