研究发现，古代有盔甲的鱼身上的突起可能导致了动物的牙齿
经过阿什利·斯特里克兰，CNN
7分钟阅读
美国东部时间下午2:14发布，2025年5月21日星期三
对一种古老的无颌脊椎动物Astrapsis的牙齿状齿极结构进行的CT扫描显示，它的小管(以绿色显示)充满了牙质，这也是现代牙齿的敏感内层。
亚拉·哈里迪/芝加哥大学
注册美国有线电视新闻网的神奇理论科学时事通讯。探索宇宙，了解有趣的发现、科学进步等新闻.
美国有线电视新闻网 —
人类牙齿内部的敏感可能源自一个看似不可能的地方:4 . 65亿年前在地球海洋中游动的鱼的感觉组织。
虽然我们的牙齿覆盖着坚硬的珐琅质，但牙本质——牙齿的内层负责将感官信息传递给神经——对用力咬合的压力、疼痛或极端寒冷或甜味等变化做出反应。
当试图确定牙齿的起源时，多年来研究人员考虑的许多可能性之一是，牙齿可能是从古代鱼类装甲外骨骼上的突起进化而来的。但是这些被称为齿状突的结构的真正目的还不清楚。
现在，一项新的研究和对化石的3D扫描显示，外部突起含有牙质，这可能有助于鱼类感知周围环境。科学家在周三的杂志上报道了这一发现自然.
“覆盖在这些敏感组织中，也许当它撞到什么东西时，它可以感觉到压力，或者也许它可以感觉到水变得太冷，它需要游到别处，”首席研究作者亚拉·哈里迪博士在一封电子邮件中说，他是芝加哥大学生物和解剖学系的博士后研究员。
在分析过程中，研究小组还发现了齿节和称为感觉器的特征之间的相似之处，感觉器作为感觉器官存在于现代动物如螃蟹和虾的外壳中，可以在无脊椎节肢动物化石中找到。Haridy说，鱼类(脊椎动物)的齿节和节肢动物(无脊椎动物)的感觉器的发展是进化趋同的一个主要例子——当相似的特征在不同的动物群体中独立进化时。
“这些无颚鱼和无脊椎节肢动物(灭绝的海洋节肢动物)有一个非常遥远的共同祖先，可能根本没有坚硬的部分，”Haridy说。“我们知道脊椎动物和节肢动物独立进化出坚硬的部分，令人惊讶的是，它们独立进化出整合到坚硬骨骼中的相似感觉机制。”
虽然节肢动物保留了它们的感觉器，但齿节似乎是动物牙齿的直接前身。
当研究人员比较感受器和齿节时，他们还得到了另一个发现:一个曾经被认为是古代鱼类的物种实际上是节肢动物。
寻找最古老的脊椎动物
Haridy最初的目标是解开化石记录中存在的最古老的脊椎动物之谜。她找到全国各地的博物馆，询问是否可以扫描他们从5.4亿年前到4.85亿年前寒武纪时期的任何化石标本。
然后，她在阿贡国家实验室熬了一个通宵，在那里她使用他们先进的光子源来捕捉高分辨率计算机断层扫描(CT)扫描。
“那是在粒子加速器的一个晚上；这很有趣，”哈迪说。
对鲨鱼口鲶鱼牙齿状齿极结构的扫描显示，神经(绿色)允许感觉信息从齿极传递到神经系统。
亚拉·哈里迪/芝加哥大学
乍看之下，一种叫做Anatolepis的生物化石看起来像是脊椎动物——事实上，1996年以前的研究已经确定它是一个。Haridy和她的同事注意到，有一系列的孔隙充满了一种似乎是牙本质的物质。
“我们互相击掌庆祝，就像’哦，我的上帝，我们终于做到了，’”哈迪说。“这可能是寒武纪脊椎动物组织中的第一个牙齿状结构。所以，当我们看到看起来像牙本质的迹象时，我们非常兴奋。”
为了证实他们的发现，研究小组将扫描结果与其他古代化石、现代螃蟹、蜗牛、甲虫、鲨鱼、藤壶，甚至哈里迪自己饲养的微型吸盘鲶鱼进行了比较。
这些比较表明，安纳托猿更像节肢动物化石，包括密尔沃基公共博物馆的一个化石。研究小组所认为的衬有牙质的小管实际上更类似于感受器。
但是他们确实在古代鱼类中发现了含有牙质的齿突Eriptychius和阿斯特拉斯比斯。
对安纳托利亚恐龙真实本性的困惑源于化石的残缺不全。Haridy说，最完整的碎片只有大约3毫米(0.1英寸)大小，这对依赖外部成像的比较研究来说是一个挑战。
CT扫描显示猫鲨身上有小齿。这些齿状结构与神经系统相连。
亚拉·哈里迪/芝加哥大学
但是她进行的新扫描能够对化石进行3D观察，揭示它们的内部解剖结构。
Haridy说:“这向我们展示了’牙齿’即使不在嘴里也能感知。”“所以，这些鱼身上有敏感的盔甲。这些节肢动物身上有敏感的盔甲。这解释了这些早期寒武纪动物的困惑。人们认为这是最早的脊椎动物，但它实际上是节肢动物。”
荷兰莱顿自然生物多样性中心的博士后研究员理查德·迪尔登博士说，这项研究中使用的尖端现代成像技术正在解决关于安纳托目的争论。迪尔登没有参与这项新的研究。
迪尔登在一封电子邮件中说:“(研究作者)使用尖端的现代成像方法来尝试和解决这个问题，收集了大量令人印象深刻的比较数据，以令人信服地证明安纳托猿确实不是脊椎动物。”
抵御恶劣天气的盔甲
像Astraspis和Eriptychius这样的装甲无颚鱼和像Anatolepis这样的古代节肢动物共存于奥陶纪的泥泞浅海中，发生在4.854亿年至4.438亿年前。
这些动物的其他同时代人包括大型头足类动物，如巨型鱿鱼，以及巨大的海蝎子。像齿突和感觉器这样的特征有助于鱼类和节肢动物区分捕食者和猎物。
这位艺术家的插图描绘了阿斯特拉斯皮斯在黑暗的浅水中被海蝎子攻击。动物相互作用的外骨骼的光芒代表了它们如何感知周围的世界。
布莱恩·恩格/活的复制品
“当你想到像这样的早期动物，穿着盔甲四处游动，它需要感知世界。这是一个非常激烈的掠夺性环境，能够感知周围水的属性非常重要，”高级研究作者尼尔·舒宾博士说，他是芝加哥大学罗伯特·r·本斯利杰出生物和解剖学教授。“所以，在这里我们看到像马蹄蟹这样有盔甲的无脊椎动物也需要感知世界，而它们碰巧找到了相同的解决方案。”
Haridy说，一些现代鱼类有齿突，而鲨鱼、鳐鱼和一些鲶鱼身上覆盖着称为小齿的小牙齿，这使它们的皮肤感觉像砂纸。
哈里迪研究了她饲养的鲶鱼的组织，发现它们的小齿与神经的连接方式与动物的牙齿非常相似。她说，当比较牙齿、齿突和感受器时，它们都非常相似。
“我们认为最早的脊椎动物，这些大型的有甲鱼类，有着非常相似的结构，至少在形态上是如此。它们在古代和现代节肢动物中看起来是一样的，因为它们都在制造覆盖软组织的矿化层，并帮助它们感知环境，”Haridy说。
根据研究作者的说法，很可能形成齿突的必要基因后来也在包括人类在内的动物身上产生了敏感的牙齿。
该研究的作者指出，这些发现支持了感觉结构首先出现在外骨骼上的想法，然后外骨骼提供了遗传信息，这些信息可以用来制造牙齿，因为它们成为生活中必不可少的一部分。
“随着时间的推移，鱼进化出了下颚，在嘴的周围和嘴里有尖尖的结构变得有利，”Haridy说。“渐渐地，一些有颚的鱼在嘴的边缘有尖尖的齿，然后最终一些直接在嘴里，然后消失在身体各处。新的化石和现代遗传学不断阐明齿突和牙齿之间的关系。”
对冰鞋前部的CT扫描显示了其皮肤上坚硬的齿状小齿(以橙色显示)。
亚拉·哈里迪/芝加哥大学
日本冲绳科学技术研究所(Okinawa Institute of Science and Technology)助理教授兼宏观进化部门负责人劳伦·萨兰(Lauren Sallan)博士说，这项新研究通过从鱼类生命树中删除Anatolepis，完善了硬组织首次出现和有颌鱼类最早祖先的时间表。没有参与这项新研究的Sallan说，这也提出了一个有趣的新假设，即牙齿的鳞状前体进化成可以在水中探测猎物，朋友或捕食者。
“这是对似乎显而易见的假设的真正挑战，这些假设认为牙本质等硬组织和鳞片及牙齿等结构(主要)是为了保护身体或在喉咙中觅食而进化的，”萨兰说。“相反，它们可能已经被’扩展’(随后被修改)用于这些用途，就像四肢在被用于在陆地上行走之前是如何进化的一样。看到早期有甲节肢动物和鱼类之间的趋同程度也很有趣，并提出了这两个群体之间有多少生态重叠的问题。”
鉴于研究人员预计存在比Astraspis和Eriptychius更早的脊椎动物，Haridy希望继续寻找可能导致最古老脊椎动物的化石。舒宾在一封电子邮件中说，尽管他们没有通过这项研究发现这一点，但他们做出了有价值的发现。
舒宾说:“我们很失望(安纳托勒斯)不是脊椎动物，但我们对由此产生的新想法感到惊讶。”。“这将我们带到了一个全新的方向。这就是科学。”