吃冷食牙疼？要怪就怪这些远古鱼类

芝加哥大学的最新研究表明，牙质（即牙齿内层将感觉信息传递至牙髓神经的组织）最初是作为感觉组织，在远古鱼类的甲壳外骨骼中进化而来的。

古生物学家长期以来认为牙齿是由这些装甲上的凸起结构进化而成，但其功能尚不明确。本周发表于《自然》期刊的新研究证实，在约4.65亿年前奥陶纪的一种早期脊椎动物鱼类中，这些结构含有牙质，很可能帮助该生物感知周围水域的环境状况。

研究还显示，寒武纪（4.85-5.4亿年前）化石中被视为牙齿的结构，与无脊椎动物化石甲壳的特征以及现代节肢动物（如蟹类和虾类）外壳中的感觉器官相似。这些相似性表明，不同动物装甲中的感觉器官在脊椎动物和无脊椎动物中独立进化，以帮助它们感知周围的宏观世界。

"想象这种身披装甲的远古生物在水中游弋时，它需要感知世界。当时是相当严酷的掠食环境，能够感知周围水体特性至关重要，"芝加哥大学有机生物学和解剖学罗伯特·R·本斯利杰出服务教授、该研究资深作者尼尔·舒宾博士表示。"因此我们发现，拥有类似鲎甲壳的无脊椎动物同样需要感知世界，而它们恰好找到了相同的解决方案。"

同步加速器之夜

领导该研究的舒宾实验室博士后研究员亚拉·哈里迪博士在项目启动时并非着眼于牙齿起源。她原本希望解答古生物学另一长期悬而未决的问题：化石记录中最早的脊椎动物是什么？哈里迪向美国各地博物馆征集寒武纪（4.85-5.4亿年前）化石标本，计划通过CT扫描寻找脊椎动物特征的标志性证据。

这些标志性特征之一（至少在后期鱼类中）是外部装甲凸起（称为齿状结构）内部存在牙质。哈里迪收集了数百份标本，有些微小到可置于牙签尖端。随后她将这些标本送至阿贡国家实验室，利用先进光子源进行通宵扫描，获取了超高分辨率的化石CT图像。"那是在粒子加速器度过的夜晚，非常有趣，"哈里迪说。

扫描图像显示，一件被称为Anatolepis的寒武纪化石样本似乎呈现脊椎动物鱼类的典型特征：齿状结构下方存在一系列小管或孔隙，其中填充的物质具有牙质的化学特征。若确属脊椎动物，该标本将使化石记录前推数千万年。

"我们当时激动击掌，心想'天啊终于找到了'，"哈里迪回忆道。"那本该是寒武纪脊椎动物组织中出现的最早类齿结构。因此当我们看到类似牙质的标志性迹象时异常兴奋。"

当然他们需要验证结论，于是开始分析哈里迪扫描的其他标本图像。这个甲壳与骨骼数据库包罗万象：从其他远古化石到现代蟹类、螺类、甲虫、藤壶、鲨鱼、鳐鱼，甚至包括哈里迪本人在水族箱培育的迷你清道夫鲶鱼。

当将疑似脊椎动物的Anatolepis与密尔沃基公共博物馆的已知节肢动物化石对比后，他们意识到那些看似脊椎动物牙质内衬的小管，实则更接近蟹壳上的感觉器官（称为感器）。这意味着1996年《自然》期刊宣称的脊椎动物Anatolepis，实为远古无脊椎节肢动物。而另一种奥陶纪脊椎动物Eriptychius的大型小管结构虽与这类感器相似，但确实含有牙质。

"这表明'牙齿'即使不在口中也能发挥感觉功能，"哈里迪解释。"因此这些鱼类装甲具有感知能力，这些节肢动物甲壳也有感知能力。这解释了早期寒武纪动物的鉴定困惑——人们曾将其视为最早脊椎动物，实则属于节肢动物。"

化石记录中的类齿结构

鲨鱼、鳐鱼和鲶鱼皮肤上也有称为盾鳞的类齿结构，使其表皮触感如砂纸。当哈里迪研究鲶鱼组织时，发现盾鳞像牙齿一样与神经相连。她指出盾鳞、远古装甲鱼的齿状结构与节肢动物感器之间具有惊人的相似性。

"我们认为最早期的脊椎动物——那些身披重甲的鱼类——至少形态上拥有非常相似的结构。它们在远古和现代节肢动物中外观一致，因为都在构建矿化表层覆盖软组织，帮助感知环境，"她阐述道。

关于这些结构如何演化为牙齿存在两种学说："由内向外"假说认为牙齿最先形成，后适用于外骨骼；而本文支持"由外向内"假说，即感觉结构首先在外骨骼发育，后来动物利用相同遗传工具包发展出感觉性牙齿。

舒宾表示，虽然未能锁定最早脊椎鱼类，但这项发现远超预期价值。

"对于某些曾被推定的早期脊椎动物化石，我们证实其并非真身。但这只是研究中的小插曲，"舒宾指出。"我们虽未找到最早的脊椎动物，但在某种意义上发现了更酷的东西。"

这项题为《脊椎动物牙齿起源与感觉性外骨骼演化》的研究获得了美国国家科学基金会、美国能源部和布林森家庭基金会的支持。其他合作作者包括芝加哥大学的Sam C.P. Norris、Matteo Fabbri、Neelima Sharma、Mark Rivers、Patrick La Riviere和Phillip Vargas；哈佛大学的Karma Nanglu和Javier Ortega-Hernández；以及密苏里州立大学的James F Miller。