对大约3.75亿年前泥盆纪晚期的鱼类化石的研究，详细描述了它们的鳍是如何进化成适合在陆地上行走的四肢的。
这项由芝加哥大学的古生物学家进行的新研究发表在12月30日的《美国国家科学院院刊》(Proceedings of The National Academy of Sciences)上。成像工具使研究人员首次能够在化石记录中构建完整的鱼鳍三维数字模型。然后，他们可以利用这些模型来推断鳍在进化成四肢时是如何工作和变化的。
在这个关键的过渡阶段，对鳍的研究主要集中在与上臂、前臂、手腕和手指相对应的大而独特的骨头和软骨块上。被称为“内骨骼”的研究人员追踪这些骨头是如何变成四足动物(或称四足动物)可识别的手臂、腿和手指的。
鱼鳍上纤细的射线和刺构成了第二具同样重要的“皮肤”骨架，在这一时期，它也经历了进化变化。这些碎片经常被忽略，因为它们在动物变成化石时可能会碎裂，或者因为它们是由化石准备人员故意取出来显示内骨骼中较大的骨头。皮肤射线构成了许多鱼鳍的大部分表面积，但在最早的有四肢的生物身上却完全消失了。
领导这项新研究的博士后研究员Thomas Stewart博士说:“我们试图在所有这些变化发生和四肢发育完全之前，了解皮肤骨骼的总体趋势和进化。”“如果你想了解在这段历史中，动物是如何进化到使用鳍的，这是一个重要的数据集。”
对Tiktaalik鳍骨的CT扫描显示它的背鳍(黄色)和腹鳍(青色)。(插图由汤姆·斯图尔特提供)
在3D中看到远古的鳍
斯图尔特和他的同事研究了三种具有原始四足动物特征的晚泥盆世鱼类:泰洛里蜥趾鱼、佛尔迪蜥趾鱼和提克塔利克罗斯亚科。提克塔利克罗斯亚科是2006年由芝加哥大学的古生物学家尼尔·舒宾领导的团队发现的，他是这项新研究的主要作者。蜥蜴和真鳍龙被认为是完全的水生动物，它们用胸鳍来游泳，尽管它们可能能够把自己支撑在湖泊和溪流的底部。Tiktaalik可能已经能够用它的鳍支撑它的大部分重量，甚至可能用它们冒险离开水面，在浅滩和泥滩上进行短途旅行。
“通过观察Tiktaalik的整个鳍，我们可以更清楚地看到它是如何支撑自己并移动的。鳍有一种手掌，可以平躺在河流和小溪的泥泞底部，”舒宾说。
斯图尔特和舒宾与本科生Ihna Yoo以及舒宾实验室的另一名研究员贾斯汀·莱姆伯格(Justin Lemberg)一起，扫描了这些仍被包裹在岩石中的化石标本。利用成像软件，他们重建了三维模型，使他们能够移动、旋转和可视化皮肤骨骼，就好像它是完全从周围的材料中提取出来的。
这些模型显示，这些动物的鳍条被简化了，鳍网的整体尺寸比它们的前辈鱼鳍要小。令人惊讶的是，他们还发现鳍的顶部和底部变得不对称了。鳍条实际上是由成对的骨头组成的。例如，在真鳍龙的背部或顶部，鳍条比腹部或底部的鳍条略大、稍长。Tiktaalik的背鳍比它的腹鳍大好几倍，这表明它的鳍下有肌肉，就像手掌的肉一样，来帮助支撑它的重量。
斯图尔特说:“这为我们提供了进一步的信息，让我们了解像Tiktaalik这样的动物是如何在这种过渡中使用鳍的。”“动物们从自由游泳，用鳍来控制周围的水流，到适应在水底推动水面。”
斯图尔特和他的同事还比较了鲟鱼和肺鱼等活鱼的皮肤骨骼，以了解他们在化石中看到的模式。他们发现鱼鳍的顶部和底部也有一些不对称的差异，这表明这些变化在鱼类的进化中起到了更大的作用。
“这给了我们更多的信心和另一组数据，这些模式是真实的，广泛的，对鱼类来说很重要，不仅仅是在化石记录中，因为它涉及到鳍到肢的过渡，而且鳍的功能也很广泛，”他说。
其他作者包括威斯康星大学帕克赛德分校的Natalia Taft和德雷克塞尔大学的Edward Daeschler。
引文:“四足动物双鳍皮肤射线的背腹不对称”，斯图尔特等人，PNAS, 2019年12月30日。DOI: 10.1073 / pnas.1915983117
资助:布林森基金会，自然科学院，芝加哥大学生物科学部，国家科学基金会。
-改编自芝加哥大学医学网站上的一篇文章。