乘風(fēng)破浪的“蟲形漂流瓶”總算解開身世之謎 ?！

作者：劉蕓（中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所）

文章來源于科學(xué)大院公眾號(hào)（ID：kexuedayuan）

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你在海邊撿到過漂流瓶么？里面的紙條寫了什么？

（圖片來源：veer圖庫）

在數(shù)億年前的沉積巖中，也有一種形狀像“漂流瓶”一樣的化石，它是遠(yuǎn)古的海洋生物。雖然我們無法用肉眼直接看到它，但在年代地層和生物地層對(duì)比中，它有著舉足輕重的作用。

它長這樣：

幾丁蟲（來源：Thijs Vandenbroucke組裝合成，圖中含有5個(gè)不同類群的幾丁蟲）

不同于活躍在生物必修課本里的草履蟲，自1931年被首次報(bào)道以來，關(guān)于TA是什么，如何繁衍后代，就一直被人們所記掛。今天大院er來扒一扒海底的八卦吧~

幾丁蟲是何方神圣？

幾丁蟲是生存于距今5到3億年前（科學(xué)記名: 奧陶紀(jì)至泥盆紀(jì)）的海洋微體生物。其體態(tài)微小，在浩瀚海洋中，大小不過50-2000微米的幾丁蟲是名副其實(shí)的“滄海一粟”。其形狀類似于各種小瓶、小罐或小棒，肉眼望去，只有一個(gè)小黑點(diǎn)，只有在顯微鏡下才能窺得其真身。

但由于它的演化速率快（每個(gè)類群生活史比較短）、分布廣而數(shù)量大（易于獲取）、形態(tài)構(gòu)造簡單（易于掌握），這類體不起眼的小化石卻體“微”而“言”重，是科學(xué)界解譯“奧陶紀(jì)生物大幅射”、“奧陶紀(jì)末生物大滅絕”等關(guān)鍵生物、環(huán)境事件的關(guān)鍵角色。同時(shí)，它們還能作為生物地層對(duì)比的工具，較為準(zhǔn)確的卡定地層時(shí)代及恢復(fù)古環(huán)境，在一定程度上有效地協(xié)助了人們尋找石油、礦產(chǎn)等資源。

罐裝、棒狀，瓶裝的幾丁蟲，比例尺線段代表100 微米（來源：梁艷）

然而，自1931年被正式建名報(bào)道以來，研究人員始終對(duì)這種微小的有機(jī)質(zhì)化石歸屬何種生物爭論不休。在上世紀(jì)80年代之前，研究者們通常根據(jù)其形態(tài)特征，將幾丁蟲與根足蟲、纖毛蟲、鞭毛蟲、有孔蟲等原生動(dòng)物進(jìn)行聯(lián)系、比較。1963年，隨著一批呈繭狀保存標(biāo)本的問世，幾丁蟲逐漸被越來越多的學(xué)者認(rèn)為是某類后生動(dòng)物的卵或卵囊。但這兩種結(jié)論都沒有確切證據(jù)支持。

小蟲好似“漂流瓶”

形似“漂流瓶”的海洋微生物，終于在當(dāng)下?lián)碛辛烁鼮榭尚诺摹癐D”身份。

2019年，中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所副研究員梁艷、唐鵬等與來自愛沙尼亞、美國、英國和中南大學(xué)的古生物學(xué)家們聚焦幾丁蟲殼體大小的形態(tài)學(xué)差異，就幾丁蟲的生物學(xué)屬性提出了新的看法。該成果于2019年7月31日在線發(fā)表在國際生物研究期刊英國《皇家學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)B》（Proceedings of the Royal Society B）上。

研究人員對(duì)美國俄亥俄州上奧陶統(tǒng)保存精美的一新種（Hercochitina violana sp. nov.）的形態(tài)大小進(jìn)行了無差別度量。研究顯示，在顯微鏡下，幾丁蟲呈黑棕色，根據(jù)科學(xué)家提供的圖片資料，幾丁蟲外形為長頸瓶狀、壺狀或圓筒狀，看起來就像個(gè)光滑的“漂流瓶”。最大最小標(biāo)本的殼體長度相差3倍多，其形態(tài)從矮胖逐漸變成了瘦長。與此同時(shí)，無論高矮胖瘦，標(biāo)本體表所具有的特征紋飾均穩(wěn)定呈現(xiàn)，從口部的簡單刺到中部的多根刺再到底部的從狀刺，越來越復(fù)雜。這意味著幾丁蟲呈縱向生長的的趨勢(shì)。

Hercochitina violana sp. nov.的掃描電鏡圖像

（來源：Proceedings of the Royal Society B）

為了進(jìn)一步探索幾丁蟲的身份，研究人員收集整理了前人發(fā)表的57屬（目前已知報(bào)道的所有屬）378種幾丁蟲的最大最小殼長比，將其與來自現(xiàn)代水生6門10綱45種無脊椎動(dòng)物卵的大小差異值進(jìn)行了類比研究。對(duì)比結(jié)果顯示，當(dāng)度量標(biāo)本的數(shù)量足夠時(shí)，幾丁蟲殼體的大小差異明顯大于現(xiàn)代水生無脊椎動(dòng)物卵的大小差異，說明其為后生動(dòng)物的卵的可能性極低，而更可能為一類獨(dú)立的微體生物。

生殖就像“擠牙膏”

幾丁蟲怎么“生孩子”？是像草履蟲那樣直接分裂嗎？并不是。

2020年，中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所副研究員梁艷等古生物學(xué)家采用采用近紅外顯微成像、顯微CT、雙束電子掃描和場(chǎng)發(fā)射電子成像等多項(xiàng)技術(shù)手段，進(jìn)一步就幾丁蟲的生物學(xué)屬性開展了新的研究，并取得了新的認(rèn)識(shí)。這一研究成果日前已在國際地學(xué)期刊《地質(zhì)學(xué)》（Geology）在線發(fā)表。

在成千上萬枚化石中，他們發(fā)現(xiàn)長久以來被認(rèn)為是畸變的特異標(biāo)本實(shí)則是記錄幾丁蟲生殖瞬間的關(guān)鍵材料。

在顯微CT的觀測(cè)下，每個(gè)處于生殖期的母系標(biāo)本體內(nèi)都有子代標(biāo)本的殼體（來源：Geology）

通過一系列研究，幾丁蟲“擠牙膏”般的生殖過程得以大白于天下：首先，母體的底部慢慢變厚，一個(gè)形態(tài)相同、個(gè)體略小的幼體會(huì)從母體的底部冒出頭來——即“出芽”；當(dāng)幼體在母體內(nèi)長出外殼后，發(fā)育成熟，就與母體脫離，母體底部的“洞”則慢慢回縮消失。

通過觀察研究者們從中識(shí)別出幾丁蟲的兩種生殖模式：一個(gè)幾丁蟲媽媽一次生下一個(gè)幾丁蟲寶寶（一個(gè)母體一次繁殖一個(gè)后代），或者一次生下多個(gè)幾丁蟲寶寶（一個(gè)母體一次繁殖多個(gè)后代）。一個(gè)的生殖模式是通過子代復(fù)制母體的形態(tài)特征來產(chǎn)生新的個(gè)體，新個(gè)體一旦脫離母體，就已經(jīng)是一個(gè)與母體具有高度一致形態(tài)特征的完成體。新個(gè)體一旦離開母體就是一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，可以獨(dú)自生活。

幾丁蟲生殖過程復(fù)原示意圖（來源：Geology）

幾丁蟲與一些原生動(dòng)物相似，但大部分帶殼的原生生物都沒有蓋子，軟體或軟體的觸手可以伸出體外，獲取食物，與外界進(jìn)行交流，但是幾丁蟲的“蓋子”很緊密，既不從外界環(huán)境獲得食物，也無法向外進(jìn)行廢物排泄?？蒲腥藛T利用顯微CT觀察，發(fā)現(xiàn)幾丁蟲寶寶的底部都有一個(gè)“洞”，這個(gè)構(gòu)造的發(fā)現(xiàn)十分重要，在之前研究的標(biāo)本中都沒有這個(gè)洞的存在。這表明，幾丁蟲在生殖過程中是可以與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換的，而后其又會(huì)恢復(fù)殼體緊閉的狀態(tài)，直到再下一次生殖。這類似于蛇、熊等生物的冬眠。

幾丁蟲底部的“洞”（來源：Geology）

通過對(duì)幾丁蟲的超微結(jié)構(gòu)和生殖方式的最新研究，證實(shí)了幾丁蟲可以“生娃”，也就佐證了幾丁蟲不是“卵”；結(jié)合幾丁蟲呈輻射對(duì)稱的有機(jī)質(zhì)殼體、廣泛的古地理分布和生態(tài)分布、顯著的種內(nèi)差異，提出幾丁蟲為一類古海洋微生物，而非任何后生動(dòng)物的卵或者是卵囊；其殼體的大小、形態(tài)及生殖方式更接近于原生生物。

“驗(yàn)明正身”又如何？

研究這么微小的且已滅絕的生物有什么意義？

對(duì)于古生物學(xué)家而言，最關(guān)注的也是最具吸引力的一項(xiàng)研究無非是弄清楚一個(gè)原先生物學(xué)屬性不明的生物究竟是什么？更遑論是幾丁蟲這類既具有非常重要的生物地層學(xué)意義，又具有重要演化意義的生物門類。

研究團(tuán)隊(duì)人員表示，此次研究的最大的收獲在于，明確了幾丁蟲是一種獨(dú)立的生物，具有其獨(dú)特的系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展與演化過程。為它“驗(yàn)明正身”后，將有利于科學(xué)界更完整地認(rèn)識(shí)該類生物的分類與繁衍，也使得后續(xù)揭示這類生物發(fā)生與發(fā)展的、更本質(zhì)的研究成為可能。

參考文獻(xiàn):

[1] Liang, Y.*, Hints, O., Tang, P., Cai, C.Y., Goldman, D., Nolvak, J., Tihelka, E., Pang, K., Bernardo, J., Wang, W.H.*, 2020. Fossilized reproductive modes reveal a protistan affinity of Chitinozoa. Geology, v. 48. https://doi.org/10.1130/G47865.1.

[2] Liang, Y*, Bernardo, J., Goldman, D., Nolvak, J., Tang, P., Wang, W., Hints, O.*. 2019 Morphological variation suggests that chitinozoans may be fossils of individual microorganisms rather than metazoan eggs. Proc. R. Soc. B 20191270.