吃冷食牙疼？要怪就怪这些古老鱼类

芝加哥大学的新研究显示，牙本质（牙齿的内层，将感觉信息传递至牙髓内的神经）最初是作为感觉组织，在远古鱼类带甲的外骨骼中演化而来的。

古生物学家长期认为牙齿是从这种甲胄上的凹凸结构演化而来，但其功能尚不明确。本周发表于《自然》期刊的新研究证实，这种结构存在于约4.65亿年前奥陶纪的一种早期脊椎动物鱼中，内含牙本质，很可能帮助该生物感知周围水域的环境状况。

研究还表明，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（如螃蟹和虾）壳内的感觉器官相似。这些相似性意味着，不同动物甲胄中的感觉器官在脊椎动物和无脊椎动物中分别独立演化，以帮助它们感知周围的宏观世界。

"想象这种披甲游弋的早期动物，它需要感知世界。当时是相当残酷的掠食环境，感知周遭水域的特性至关重要，"芝加哥大学有机体生物学和解剖学罗伯特·R·本斯利杰出贡献教授、该研究资深作者尼尔·舒宾博士表示，"因此我们发现，鲎等带甲无脊椎动物同样需要感知世界，而它们恰巧找到了相同的解决方案。"

粒子加速器之夜

领导该研究的舒宾实验室博士后研究员雅拉·哈里迪博士在项目启动时并非探寻牙齿起源。她原本希望解答古生物学另一长期悬疑：化石记录中最古老的脊椎动物是什么？哈里迪向全美多家博物馆征集寒武纪（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明显迹象。

这些迹象之一（至少在晚期鱼类中）是被称为齿突的外甲凸起内含牙本质。哈里迪收集了数百件标本，有些小到能置于牙签尖端。她随后前往阿贡国家实验室，使用先进光子源通宵进行扫描，获取了超高分辨率的化石CT图像。"这是个粒子加速器之夜，非常有趣，"哈里迪说。

扫描图像显示，一件名为《Anatolepis》的寒武纪化石样本似乎呈现脊椎动物鱼类的典型特征：齿突下方存在一系列小管或孔隙，填充的物质携带牙本质的化学特征。若确属脊椎动物，该标本将使化石记录前推数千万年。

"我们当时互相击掌欢呼'天啊终于做到了'，"哈里迪回忆道，"这将是寒武纪脊椎动物组织中出现的最早齿状结构。因此看到类似牙本质的明显迹象时，我们异常兴奋。"

当然需要验证，于是团队开始分析其他扫描样本。这个外壳与骨骼的图像库包含各类标本：从远古化石到现代螃蟹、蜗牛、甲虫、藤壶、鲨鱼和鳐鱼，外加哈里迪在水族箱自行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本质内衬的小管，实则更接近蟹壳上的感觉器官（称为感觉器）。这意味着1996年《自然》期刊宣称的脊椎动物《Anatolepis》，其实是远古无脊椎节肢动物。而另一种奥陶纪脊椎动物《Eriptychius》的大管结构与这些感觉器相似，但确实含有牙本质。

"这说明'牙齿'即使不在口腔也能具备感觉功能，"哈里迪指出，"因此这些鱼类的甲胄具有感知力，这些节肢动物的甲壳也具有感知力。这解释了早期寒武纪动物的鉴定困惑——人们曾认为这是最早脊椎动物，实则为节肢动物。"

化石记录中的齿状结构分布

鲨鱼、鳐鱼和鲶鱼皮肤也布满称为盾鳞的齿状结构，使其触感如砂纸。哈里迪研究鲶鱼组织时，发现盾鳞像牙齿一样连接着神经。她表示，这些结构与牙齿、远古甲胄鱼的齿突以及节肢动物感觉器的相似性令人震惊。

"我们认为最早期的脊椎动物——那些大型披甲鱼类——至少形态上拥有极其相似的结构。它们在远古和现代节肢动物中呈现相同形态，因其都在生成矿化层覆盖软组织，协助感知环境。"她解释道。

关于这些结构如何最终演化为牙齿存在两派学说："由内向外"假说认为牙齿先出现，后适应于外骨骼；而本文支持"由外向内"假说，主张感觉结构首先在外骨骼形成，动物随后利用相同遗传工具包发展出感觉牙齿。

舒宾表示，虽然未能锁定最早脊椎鱼类，但此项发现远超预期价值。

"我们证实某些推测的早期脊椎动物化石实非如此，但这只是小插曲，"舒宾说，"虽未找到最早标本，但从某种意义而言，我们发现了更非凡的真相。"

题为《脊椎动物牙齿起源与感觉性外骨骼演化》的研究获得美国国家科学基金会、美国能源部和布林森家族基金会支持。其他作者包括芝加哥大学的萨姆·C·P·诺里斯、马泰奥·法布里、尼利玛·夏尔马、马克·里弗斯、帕特里克·拉里维埃和菲利普·巴尔加斯；哈佛大学的卡尔玛·南格鲁和哈维尔·奥尔特加-埃尔南德斯；以及密苏里州立大学的詹姆斯·F·米勒。