一块5亿年前的化石重写了蜘蛛起源故事

蜘蛛和蝎子已存在约4亿年，几乎没有变化。它们与密切相关的节肢动物一起被归类为蛛形纲动物，作为最成功的节肢动物掠食者群体，曾在地球上占据主导地位。根据它们的化石记录，蛛形纲动物似乎完全在陆地上生活并多样化。

在亚利桑那大学尼古拉斯·斯特劳斯菲尔德（Nicholas Strausfeld）领导并发表在《当代生物学》（Current Biology）上的一项研究中，来自美国和英国的研究人员对一种名为对称莫里森虫（Mollisonia symmetrica）的已灭绝动物大脑和中枢神经系统的化石特征进行了详细分析。在此之前，它被认为是特定节肢动物类群——螯肢动物（chelicerates）的原始成员，这类动物生活在寒武纪（距今5.4亿至4.85亿年前），包括今天鲎的祖先。令研究人员惊讶的是，他们发现莫里森虫化石大脑中的神经排列并非如预期的那样与鲎相似，而是与现代蜘蛛及其近亲的组织方式相同。

“关于蛛形纲动物最早出现的地点和时间，它们的祖先是何种螯肢动物，以及这些祖先是像鲎一样的海洋生物还是半水生生物，目前仍存在激烈争论，”亚利桑那大学神经科学系特聘教授斯特劳斯菲尔德说。

莫里森虫在外表上类似于寒武纪早期和中期的其他早期螯肢动物，其身体由两部分组成：前端是宽阔圆形的“头胸甲”（carapace），后部是坚固的分节躯干，末端呈宽阔的尾状结构。一些科学家认为，这种前有头胸甲、后有分节躯干的组织结构类似于蝎子的身体构造。但没有人认为莫里森虫是比基础螯肢动物（例如比鲎的祖先更原始）更奇特的存在。

斯特劳斯菲尔德及其同事发现，证明莫里森虫属于蛛形纲动物的证据是其化石大脑和神经系统。与蜘蛛和其他现代蛛形纲动物一样，莫里森虫身体的前部（称为前体 prosoma）包含一种放射状的分节神经节（segmental ganglia）模式，这些神经节控制着五对分节附肢的运动。除了这些蛛形纲动物的特征外，莫里森虫还显示出一个未分节的大脑，它向一对钳状的“爪”延伸出短神经，这让人联想到蜘蛛和其他蛛形纲动物的毒牙。

但证明其蛛形纲身份的决定性特征是莫里森虫大脑的独特组织结构。它与现代甲壳动物、昆虫、蜈蚣甚至鲎（如鲎属 Limulus）中发现的从前到后的排列方式相反。

“这就像在寒武纪化石中看到的鲎型大脑，或祖先及现代甲壳动物和昆虫的大脑被向后翻转了一样，而这正是我们在现代蜘蛛中看到的排列方式，”他说。

据伦敦国王学院的合著者弗兰克·赫斯（Frank Hirth）称，后一项发现可能是一个关键的进化发展，因为对现存蜘蛛大脑的研究表明，这种背向前的排列方式为神经元控制中心与协调蜘蛛（或其近亲）惊人动作的基础神经回路之间提供了捷径。这种排列可能赋予其在捕猎时的隐蔽性、追逐时的快速性，以及（就蜘蛛而言）用于编织网以诱捕猎物的精湛灵活性。

“这是进化的一个重大步骤，似乎为蛛形纲动物所独有，”赫斯说。“然而，我们已经在莫里森虫中识别出了与现存物种相对应的大脑区域，据此我们可以预测所有节肢动物共同的基础遗传构成。”

“蛛形纲动物的大脑不同于这个星球上的任何其他大脑，”斯特劳斯菲尔德补充道，“这表明其组织结构与计算速度和对运动动作的控制有关。”

根据斯特劳斯菲尔德的说法，最早登陆的动物可能是类似千足虫的节肢动物，或许还有一些类似昆虫的祖先生物，它们是甲壳动物的一个进化分支。

“我们可以想象，一种类似莫里森虫的蛛形纲动物也适应了陆地生活，将早期的昆虫和千足虫作为日常食物，”他说，并补充道，陆地上的第一批蛛形纲动物可能促成了一种关键防御机制的进化：昆虫的翅膀，从而实现了飞行和逃脱。

“当你被蜘蛛追赶时，能够飞行会给你带来巨大的优势，”斯特劳斯菲尔德说。“然而，尽管昆虫具有空中机动性，仍有数百万只昆虫被蜘蛛编织的精美丝网捕获。”

在这项研究中，斯特劳斯菲尔德在哈佛大学比较动物学博物馆（该馆收藏有莫里森虫标本）花费时间，从不同的照明方向、光强度和偏振光以及放大倍数下拍摄了大量照片。

为了排除莫里森虫大脑与蜘蛛大脑的相似性是平行进化的结果（即巧合而非源于共同谱系）的可能性，合著者大卫·安德鲁（David Andrew）——斯特劳斯菲尔德实验室的前研究生，现就职于宾夕法尼亚州的莱康明学院（Lycoming College）——进行了一项统计分析，比较了已灭绝和现存节肢动物共115项神经元及相关解剖特征。结果将莫里森虫列为现代蛛形纲动物的姐妹群，进一步支持了莫里森虫谱系产生了如今包括蜘蛛、蝎子、避日蛛、鞭尾蝎和鞭蝎等在内的进化支的观点。

不幸的是，其他类似莫里森虫的节肢动物并未以允许对其神经系统进行详细分析的方式保存下来。但作者认为，如果它们拥有同样独特的大脑类型，它们的后代可能建立了不同的陆生谱系，这些谱系构成了如今蛛形纲生命树的各种分支。