科学家发现最早已知的完整神经系统

这是巨蝎Alalcomenaeus的化石，它是蝎子和蜘蛛的远亲。（照片：N.Strausfeld等。）

科学家发现了保存在5.2亿年前的节肢动物的化石遗骸中的最早已知的完整神经系统。

由亚利桑那大学摄政学院教授尼克·斯特劳斯菲尔德（Nick Strausfeld）和伦敦自然历史博物馆的格雷格·埃格科姆（Greg Edgecombe）领导的一组研究人员发现了已知最早的完整神经系统，该系统被精美地保存在从未描述过的在海洋中爬行或游动的生物的化石遗骸中。 5.2亿年前。

这一发现表明，在十亿年前，螯虫的祖先（蜘蛛，蝎子及其亲属）是从其他节肢动物的家谱中分支出来的，这些节肢动物包括昆虫，甲壳类和千足虫。

该标本在《自然》杂志的最新一期中进行了描述，属于一种已经灭绝的海洋节肢动物群，称为巨型奇异兽（希腊语中的“大爪”），并解决了该物种在生命树中适合生存的长期谜团。

Alalcomenaeus化石标本头部区域的特写，并用显微镜技术叠加后的颜色揭示了化石中化学元素的分布。铜显示为蓝色，铁显示为品红色，CT扫描为绿色。铁和CT的巧合表示神经系统。该生物拥有两对眼睛（顶部为球形结构）。（照片：N.Strausfeld / UA）

这项研究的资深作者，阿联酋神经科学系摄政教授斯特劳斯费尔德说：“我们现在知道，巨嘴兽的中枢神经系统与当今的crab蟹和蝎子非常相似。”“这意味着蜘蛛的祖先及其亲属与下寒武纪的甲壳类动物的祖先并存。”

科学家确定了中国西南昆明附近著名的澄江编队出土的3厘米长的生物，作为已灭绝的Alalcomenaeus属的代表。这组动物的身体呈拉长的，分段的身体，配备了大约十二对肢体附件，使动物能够游泳或爬行或同时游泳和爬行。所有这些动物的头部都附有一对长的，类似剪刀的附件，最有可能用于抓握或感觉目的，因此赋予了它们统称megacheirans。

合著者格雷格·埃格科姆（Greg Edgecombe）表示，一些古生物学家使用所谓的大附肢的外观来推断巨型奇异鸟与螯合物有关，原因是大附肢和蜘蛛或蝎子的毒牙都具有基底部分和钳状尖端之间的“肘关节”。

Edgecombe说：“但是，这并不是坚如磐石，因为其他人将巨大的附属物排成一列，它们要么在蜘蛛牙的前面，要么在蜘蛛牙的后面。”“我们现在设法增加了直接证据，证明大脑是从哪个部分将神经发送到大附肢的。它是第二个，与毒牙或chelicerae中的相同。我们首次可以分析这些化石节肢动物的各个部分如何与我们使用生物的方式一样，通过它们的神经系统相互排列。”

该团队利用化石过程中选择性沉积在神经系统中的铁沉积物，利用不同的成像和图像处理技术对化石进行了分析。

为了使神经结构清晰可见，研究人员使用了计算机断层扫描（CT），该技术可在标本中重建3-D特征。但是，“ CT扫描不足以清楚地显示神经系统的轮廓，” Strausfeld说，“而绘制化学元素分布图的扫描激光技术显示，铁沉积几乎可以令人信服地概述神经系统，但差别很小。 ”

接下来，该小组将先进的成像技术应用于扫描，首先将铁沉积扫描的品红色与CT扫描的绿色重叠，然后将两者相减。

“我们丢弃了两次扫描中都不存在的任何图像数据，” Strausfeld解释说。“在两者重叠的地方，洋红色和绿色相互叠加，显示出保留的神经系统为白色结构，然后我们将其反转。”

这导致了类似于化石的负X射线照片。

施特劳斯菲尔德说：“白色的结构现在显示为黑色，并以惊人的细节突显了这个美丽的神经系统。”

Alalcomenaeus化石（左），幼虫horse（中）和蝎子（右）的神经系统插图。诊断特征揭示了这些动物之间的进化关系，包括肠道在大脑中的向前位置以及由两双眼睛提供的大脑外部和内部的视神经中心的排列。（插图：N.Strausfeld / UA）

将化石神经系统的轮廓与马蹄蟹和蝎子的神经系统进行比较，毫无疑问的是，有5.2亿岁的Alalcomenaeus是螯虾的成员。

具体来说，化石显示出在蝎子和蜘蛛中发现的大脑的典型特征：由神经节组成的三簇神经细胞像大脑一样融合在一起，也与动物体内的某些神经节融合在一起。这与甲壳类动物不同，后者的神经节距离较远，并由长神经相连，例如绳梯的横档。

其他诊断功能包括肠道开口在大脑中的前向位置以及由两双眼睛提供的大脑外部和内部的视神经中心的排列方式，就像在hoe中一样。

为了使分析更加稳健，研究人员随后将这些功能添加到了约150个特征的现有目录中，这些目录用于基于神经解剖特征在节肢动物之间建立进化关系。

“格雷格将这些特征插入了基于计算机的分类分析中，问：‘这种化石在关系树中出现在哪里？”施特劳斯菲尔德说。“我们的Alalcomenaeus化石与现代螯合物一起诞生。”

但是根据Strausfeld的说法，故事还不止于此。

“赋予巨嘴怪起名的主要附属物显然被用于抓握和握住，可能还用于感官输入。在这些化石中，为这些大的附件出现的地方提供连接的大脑部分非常大。根据它们的位置，我们现在可以说蜘蛛及其亲属的咬口器是从这些附属物演变而来的。”

不到一年前，同一研究小组发表了在具有5.2亿年历史的化纤辉岩化石中发现了一个化石脑，这与现代甲壳类动物的复杂脑表现出出乎意料的相似性。

施特劳斯菲尔德说：“我们的新发现令人振奋，因为它表明，甲壳类动物属于螯合物和螯合物，它们是5.2亿年前作为两种不同的进化轨迹而存在的，这意味着它们的共同祖先一定存在的时间更深。”“我们希望找到从更远古时代以来一直存在的动物化石，而我希望我们有一天能找到下颌和咀嚼神经系统地面模式的祖先类型。他们必须来自某个地方。现在搜索开始了。”

对于这个研究项目，Strausfeld与日本横须贺市日本海洋地球科学技术局的田中健吾（Gengo Tanaka）合作。侯向光，云南昆明大学云南古生物学重点实验室主任；侯的同事马小亚（Xiaoya Ma）目前正在伦敦自然历史博物馆古生物学部门与格雷戈里·埃格科姆（Gregory Edgecombe）合作。

这项工作得到了中国自然科学基金（No. 40730211），日本政府的教育与科学研究（No. 21740370）和勒沃胡姆信托基金会研究项目（F / 00 696 / T）的资助。也是由UA昆虫科学中心和AFRL（FA86511010001）授予Strausfeld的赠款。

出版物：田中健吾等人，“寒武纪大附肢节肢动物的螯状神经地面模式”，《自然》 502，364-367，2013； doi：10.1038 / nature12520

图片：N. Strausfeld等； N·史特劳斯菲尔德/ UA