在中寒武紀(jì)三葉蟲化石件揭示了交配行為的秘密
鋸齒魚交配位置的藝術(shù)重建。學(xué)分：冬青沙利文
化石可以告訴科學(xué)家很多關(guān)于動物的信息，例如它們的形態(tài)、環(huán)境以及它們在生命樹中的位置。在化石記錄中很難觀察到的一件事是動物的繁殖行為。需要一塊保存得非常獨(dú)特的化石才能揭示一些最早的復(fù)雜動物的生殖策略背后的秘密。
在（2022 年 5 月 6 日）發(fā)表在《地質(zhì)學(xué)》雜志上的一項(xiàng)新研究中，哈佛大學(xué)有機(jī)與進(jìn)化生物學(xué)系的博士生 Sarah R. Losso 和 Javier Ortega-Hernández 教授揭示了三葉蟲的交配行為。中寒武紀(jì)化石，Olenoides serratus。
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三葉蟲是一組 5.20-2.5 億年歷史的節(jié)肢動物，可能靠近兩個(gè)主要節(jié)肢動物群的分支點(diǎn)，螯肢動物（馬蹄蟹、蜘蛛和蝎子）和下頜動物（蜈蚣、螃蟹和昆蟲）。它們在古生代化石記錄中占主導(dǎo)地位，在每個(gè)大陸都有發(fā)現(xiàn)，并且有超過 20,000 個(gè)被描述的物種。它們因其富含方解石的耐用外骨骼的三葉外觀而得名，方解石易于保存并產(chǎn)生了極好的化石記錄。三葉蟲形態(tài)已被廣泛研究，但對三葉蟲繁殖知之甚少。罕見的例子包括那些在可能是雌性標(biāo)本的頭部下方發(fā)現(xiàn)的未受精卵，以及在寒武紀(jì)沉積在沉積物中的受精卵簇。鱟。然而，三葉蟲的繁殖行為，包括它們的交配和受精，實(shí)際上仍然是未知的。
Olenoides serratus 交配的重建：a) 顯示雄性附肢與雌性外骨骼對齊的圖表。b) 交配位置的藝術(shù)重建。圖片來源：Holly Sullivan (https://www.sulscientific.com/)
Losso 致力于全面重新描述Olenoides的形態(tài)，他研究并拍攝了可從皇家安大略博物館、加拿大地質(zhì)調(diào)查局和史密森尼學(xué)會的無脊椎動物古生物學(xué)收藏中獲得的每一個(gè)Olenoides serratus標(biāo)本。鋸齒魚從北美的幾個(gè)地點(diǎn)已知，但所有附肢保存完好的標(biāo)本都是從加拿大不列顛哥倫比亞省的伯吉斯頁巖中收集的。與外骨骼不同，附屬物（觸角、腿和鰓）不會經(jīng)常保存，因?yàn)樗鼈儧]有用方解石加固。附屬物的保存需要在埋葬時(shí)具有獨(dú)特的條件，這些附屬物存在于 Burgess 頁巖和其他具有特殊化石保存的稀有地點(diǎn)。在檢查保存在皇家安大略博物館的 Burgess 頁巖的一塊保存完好的化石時(shí)，Losso 在身體中部發(fā)現(xiàn)了一種特殊修飾的扣狀腿，類似于成年雄性馬蹄蟹的腿，這表明了類似的交配策略。
洛索檢查了 65 個(gè)標(biāo)本，其附件保存至今。23 個(gè)標(biāo)本的腿保存在身體的正確部位，在那里發(fā)現(xiàn)了類似扣子的附肢；然而，由于尺寸減小，即使存在完整的外骨骼扣環(huán)，也不會可見。四個(gè)標(biāo)本提供了第十和第十一對附肢的清晰視圖，但只有一個(gè)鋸齒形O. serratus 標(biāo)本顯示被修改為扣環(huán)。其他三個(gè)具有可見附肢對的標(biāo)本具有更傳統(tǒng)的腿狀外觀。
鋸齒狀三葉蟲成年雄性標(biāo)本，帶扣子： a) 部分。b) 對應(yīng)部分。
盡管帶扣環(huán)的鋸齒魚標(biāo)本缺失了一半的外骨骼，但它對研究人員有利?！斑@個(gè)標(biāo)本是真正獨(dú)一無二的，因?yàn)樗４嫱旰?，足以展示四肢的特殊?xì)節(jié)，它們被修改成扣子，但被打破了，所以我們實(shí)際上可以看到這些被背部外骨骼覆蓋的縮小的四肢，”Losso 說?！熬哂兄S刺意味的是，如果標(biāo)本用完整的背側(cè)外骨骼保存得更好，我們就不會像現(xiàn)在這樣掌握關(guān)于它四肢的信息?！?/p>
Losso 對減少的附肢的各個(gè)部分進(jìn)行了多次測量，并將它們與同一標(biāo)本體內(nèi)的附肢以及從同一位置的不同Olenoides中已知的附肢進(jìn)行比較。這表明較小的附屬物具有僅從該標(biāo)本中得知的獨(dú)特形態(tài)。洛索隨后檢查了其他活節(jié)肢動物的特殊附肢，以進(jìn)行比較并了解這些附肢的用途。
有數(shù)千種三葉蟲有 2 億年的歷史。但如果沒有近親，就很難知道生殖行為。馬蹄蟹雖然與三葉蟲沒有密切的關(guān)系，但經(jīng)常被用作現(xiàn)代類似物，因?yàn)樗鼈儽砻嫔峡雌饋硐袢~蟲，因此可以進(jìn)行有用的比較。鱟，如鱟，是海洋節(jié)肢動物，以特拉華州和科德角海岸的大規(guī)模產(chǎn)卵活動而聞名。在這些事件中，雄性使用它們的扣子抓住雌性，這樣它們就可以正確定位以使雌性釋放的卵受精。
與內(nèi)容相關(guān)的產(chǎn)品: 顯微鏡相機(jī)
扣環(huán)是常見于雄性節(jié)肢動物中的特殊鉤狀附屬物。雄性在交配時(shí)使用扣子抓住雌性。根據(jù)該進(jìn)化枝中交配的確切模式，不同的群體在身體的不同部位會聚地進(jìn)化出這種附屬物。鰓足類動物和馬蹄蟹都進(jìn)化出了梆子，但它們根據(jù)雌性的外骨骼以不同的方式發(fā)揮作用。例如，鰓足類動物緊貼在甲殼上，而鱟則緊貼在刺上。在O. serratus中，雄性的梆子會與雌性尾骨上的刺對齊。
“我們知道它不能用于咀嚼，因?yàn)楦街辉陬^部或嘴巴附近，它們位于身體中間，”洛索說。“這顯示了三葉蟲的性別二態(tài)性，但在這種情況下，它只在附屬物中表達(dá)。這告訴我們更多關(guān)于三葉蟲的繁殖以及它們?nèi)绾谓慌涞男畔?，這在以前很難理解，并且根據(jù)現(xiàn)代類比一直是非常推測的。”
“很少有化石能直接影響生殖生態(tài)和行為，尤其是在這么古老的化石中。在這種情況下，因?yàn)橛幸粋€(gè)結(jié)構(gòu)非常適合這個(gè)功能，所以有可能提出這個(gè)特殊的論點(diǎn)，尤其是三葉蟲，”O(jiān)rtega-Hernández 說。“這真的是第一次有可能展示這些為這個(gè)功能進(jìn)行了如此大量修改的肢體。它提供了強(qiáng)有力的證據(jù)表明鱟，或類似鱟的行為，已經(jīng)完全通過收斂存在于寒武紀(jì)。因此，它確實(shí)有助于我們了解這些動物在數(shù)百萬年前實(shí)際上是如何生活的。”
“三葉蟲可以幫助我們了解最豐富、最多樣化的動物群體的進(jìn)化，并深入了解早期動物的生殖生態(tài)，”Losso 說。
參考文獻(xiàn)：“寒武紀(jì)中葉鋸齒魚中的鉤爪表明三葉蟲中的鱟類交配”，2022 年 5 月 6 日，地質(zhì)學(xué)。
DOI：10.1130/G49872.1