来自芝加哥大学的研究人员首次使用开发出来的工具来研究现代鱼类下颚的三维运动和力学，来分析鱼类化石。结合CT成像技术能够捕获的图像化石虽然仍包裹在岩石上,结果显示,3.35亿岁高龄的鲨鱼有复杂的下巴的吸入能力喂养常见的硬骨鱼类像鲈鱼,鲈鱼、鲤鱼和现代护士鲨鱼。
值得注意的是，这些古老的鲨鱼下颚比最早有证据表明类似的下颚适于吸吮多骨鱼类的下颚要古老5000万年。这既展示了鲨鱼进化的多样性，也展示了在地球历史上五次大灭绝之一之后，鲨鱼是如何对新的生态机会做出快速反应的。
“在今天的水生脊椎动物中，吸力进食是普遍存在的，而且经常被认为是鳐鱼进化取得惊人成功的一个关键因素，”这项新研究的资深作者、世界领先的进化生物学家之一迈克尔·科茨(Michael Coates)教授说。“但我们在这里展示的是，在已知最早的鲨鱼之一身上首次出现了高性能的水吸力进食。”
一个完整的重建鲨鱼的施工工具包
本周发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的这项研究，描述了一种两英尺长的、类似角鲨的鲨鱼——阿克库图斯(Tristychius arcuatus)的化石。1837年，瑞士生物学家路易斯·阿加西首次发现了这种细菌。1978年，科茨的前同学约翰·迪克详细描述了这种细菌。Tristychius和其他类似的泥盆纪鲨鱼，是在苏格兰爱丁堡附近福斯湾沿岸的铁石岩石结节中发现的。
鲨鱼化石很罕见，因为它们的软骨骨骼通常在成为化石之前就腐烂了。几十年来，研究古代鲨鱼的研究人员一直局限于孤立的牙齿和鳍刺。即使他们发现了一具更完整的骨骼，它通常也会被压平，或者，如果它被包裹在这些石头中，当他们试图移走它时，它会碎掉。
科茨和他的实验室在应用现代成像技术和软件研究这些具有挑战性的化石方面一直处于领先地位。CT扫描可以让他们创造出任何软骨化石的三维图像，以及留在石头里的印象。然后，利用最初为研究现代鱼类的结构和功能而开发的复杂建模软件，他们可以重现完整的骨架是什么样子的，这些碎片是如何组合和移动的，以及这对这些鲨鱼的生活意味着什么。
芝加哥大学的科学家们利用CT扫描技术捕捉到了这具仍然被包裹在铁石岩石结节中的阿克库斯特龙化石的图像。然后，研究人员使用三维建模软件来重建头骨和下颚，以了解它是如何移动和组合在一起的。
“这些新的CT方法释放了大量以前无法获取的数据，”芝加哥大学(University of Chicago)生物与解剖学教授科茨(Coates)说。
迪克的团队开始重新研究迪克研究过的一些化石，以及早期研究中没有涉及的标本。“其中一些保存得非常好，”科茨说。“我们意识到，当我们(实际上)取出所有部件时，我们已经拥有了完整的3d重建鲨鱼的施工工具包。”
击败水下物理
这个虚拟的构建工具包还允许他们创建3d塑料打印出构建鲨鱼头骨的软骨。这反过来又使科茨和他的团队能够模拟运动和连接，无论是物理上还是虚拟上，来观察头骨是如何工作的。
利用吸力进食的鱼类基本上是通过嘴巴吸水来捕捉难以捕捉的猎物，如蠕虫、甲壳类动物和其他海底无脊椎动物。为了做到这一点，它们必须在张开嘴的时候把水吸进来，但在闭上嘴的时候又不能把水挤出来。
吸收式给料机通过把水从鳃里排出来来克服这些具有挑战性的物理现象。它们所产生的吸力可以通过灵活的拱形和关节来增强，这些关节和关节可以扩张它们的脸颊，嘴巴里的容积可以把水吸进来(想象一下，当你在水下双手合十，慢慢地把手掌分开时的感觉)。
当Tristychius张开它的下颚时，它能够产生吸力，把水吸进嘴里，然后通过鳃把水吸出来，带着食物。(Kristen Tietjen, UChicago提供)
今天的鱼已经完善了这一过程，但是Tristychius有一个类似的进食装置，当它张开和闭上嘴的时候可以膨胀来控制水(和食物)的流动。至关重要的是，这包括嘴周围的一组软骨，它们限制开口的大小来控制吸力的大小。圆形的嘴在它的口吻末端向前推进，就像现代的地毯鲨或护士鲨一样，而不是像大白鲨一样张开的、有牙齿的嘴巴。
而其他鲨鱼当时有更典型的下巴,扩大脸颊和嘴巴小心控制的组合孔径Tristychius提供了访问以前未开发的食品资源,如浅洞穴中避难的猎物或否则很难捕捉学校虾或幼年鱼只有5000万年前硬骨鱼被相同的技术。
科茨说:“物理模型和计算模型的结合使我们能够以一种前所未有的方式探索古生代鲨鱼的生物力学。”“这些特殊的鲨鱼正在做一些复杂而新奇的事情。我们有这一关键创新的最早证据，它对多种鱼类都非常重要，而且不断进化。”
这项研究的其他作者包括芝加哥大学的Kristen Tietjen，布朗大学的Aaron M. Olsen和爱尔兰都柏林大学学院的John A. Finarelli。
引文:“早期elasmobranch的高性能吸力喂养”，科学进展。2019年9月11日。DOI: 10.1126 / sciadv.aax2742
这篇文章最初发表在芝加哥大学医学网站上