在行走的进化过程中髋骨与肋骨相连

在鳍进化成腿之前，中轴骨骼——包括头部、颈部、背部和肋骨的骨骼——已经在经历变化，最终帮助我们的祖先支撑身体在陆地上行走。包括宾夕法尼亚州立大学生物学家在内的一个研究小组完成了提塔利克鱼骨骼的新重建，提塔利克鱼是一种拥有 3.75 亿年历史的鱼类化石，是有肢脊椎动物的近亲之一。新的重建表明，鱼的肋骨可能附着在骨盆上，这一创新被认为对于支撑身体和最终进化出行走至关重要。

4 月 2 日发表在《国家科学院院刊》杂志上的一篇论文描述了新的重建过程，该论文使用微型计算机断层扫描 (micro-CT) 扫描化石，揭示了以前隐藏在岩石下的鱼的椎骨和肋骨。

“提塔利克鱼于 2004 年被发现，但其骨骼的关键部分尚不清楚，”宾夕法尼亚州立大学埃伯利科学学院生物学助理教授、该研究小组的领导者之一汤姆·斯图尔特 (Tom Stewart) 说。 “这些新的高分辨率微型 CT 扫描向我们展示了提塔利克鱼的椎骨和肋骨，使我们能够对其骨骼进行全面重建，这对于了解它如何在世界上移动至关重要。”

大多数鱼类在躯干长度上具有相同的椎骨和肋骨，而与大多数鱼类不同，有肢脊椎动物的轴向骨骼从头部区域到尾部区域的椎骨和肋骨显示出显着差异。这种区域化的演变允许执行专门的功能，其中之一是骶骨区域的肋骨与骨盆之间的机械连接，使后肢能够支撑身体。

鱼类的腹鳍在进化上与四足动物(包括人类在内的四肢脊椎动物)的后肢有关。鱼类的腹鳍和骨盆带的骨头相对较小，可以在体内自由漂浮。研究人员解释说，在行走的进化中，后肢和骨盆变得更大，并与脊柱形成连接，作为支撑与支撑身体相关的力的一种方式。

“提塔利克鱼很了不起，因为它让我们得以一睹这一重大的进化转变，”斯图尔特说。 “在它的整个骨架中，我们看到了鱼类和水中生物的典型特征以及陆地动物的特征组合。”

提塔利克鱼最初的描述主要集中在骨骼的前部。化石经过精心准备，去除了周围的岩石基质并暴露了头骨、肩带和胸鳍。该区域的肋骨很大且扩张，表明它们可能以某种方式支撑着身体，但尚不清楚它们到底是如何发挥作用的。 2014年，在与骨骼其余部分相同的位置发现的鱼的骨盆也被清除了基质并进行了描述。

“从过去的研究中，我们知道骨盆很大，而且我们感觉后鳍也很大，但直到现在还无法确定骨盆是否或如何与中轴骨骼相互作用，”斯图尔特说。 “这次重建首次展示了它们是如何组合在一起的，并为我们提供了有关步行最初是如何进化的线索。”

研究人员解释说，与我们的骨骼紧密结合在一起的不同，提塔利克鱼的骨盆和中轴骨骼之间的连接很可能是由韧带组成的软组织连接。

“提塔利克鱼有专门的肋骨，通过韧带连接到骨盆，”斯图尔特说。 “这确实令人惊讶。这种生物有很多特征——一对大的后肢、大骨盆以及骨盆和中轴骨骼之间的连接——这些特征是行走起源的关键。虽然提塔利克鱼可能没有在陆地上行走，但它肯定在做一些新的事情。这是一种可以支撑自己并用后鳍推动的鱼。”

骨骼的新重建还揭示了提塔利克鱼头部活动性的专门化以及该鱼腹鳍解剖结构的新细节。

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、该论文的作者之一尼尔·舒宾 (Neil Shubin) 表示：“看到提塔利克鱼的骨骼被如此生动地捕捉到，真是令人难以置信。”这是探索 3.75 亿年前动物如何移动以及如何与环境相互作用的舞台。”

除了斯图尔特和舒宾之外，该研究团队还包括芝加哥大学的Justin B. Lemberg、Emily J. Hillan和Isaac Magallanes，以及德雷克塞尔大学自然科学院的Edward B. Daeschler。

这项研究得到了布林森基金会、芝加哥大学生物科学部、德雷克塞尔大学自然科学院匿名捐助者和美国国家科学基金会的支持。加拿大极地大陆架自然资源项目使实地考察成为可能;努勒维特遗产和文化部;努纳武特地区雷索鲁特湾 (Resolute Bay) 和格里斯峡湾 (Grise Fiord) 的小村庄;以及格里斯峡湾的伊维克猎人和捕猎者。