科研速报--古生物学：关于原棘鲨（Protospinax annectans）演化关系的最新研究

本文约长4000字，建议阅读时长：15分钟

科研速报系列将归入鲨鱼杂谈文集中，该系列将为读者播报世界范围内最新发布的有关软骨鱼类的最新研究成果。本期播报的是古生物学分主题关于“鲨鳐类演化研究的关键物种”---原棘鲨的内容。

阅读之前建议各位先了解一下演化中系统发生树相关的概念和含义，以下是两个专业性比较高的网站：

维基百科链接：

https://zh.wikipedia.org/zh-hans/%E7%B3%BB%E7%B5%B1%E7%99%BC%E7%94%9F%E6%A8%B9

东南大学生物信息学导论链接：

http://bioinfo.seu.edu.cn/xsun/bioinfomatics/Web/CharpterSix/6.1.htm

摘要：软骨鱼类的演化关系以及系统发育树的构建一直是古生物学和演化生物学界争议的焦点。目前有形态派（认为鳐类属于一类特化的角鲨总目的鲨鱼）和分子派（认为鳐类与鲨鱼组成姊妹群）两种主要派别，两种由不同数据类别支持的派别互不兼容且理论上互相冲突，对一些疑难物种的演化关系与位置识别造成了较大的困难。而生存于晚侏罗纪，隶属于角鲨总目的原棘鲨（Protospinax annectans）便是一个典型的例子，数十年以来，许多演化研究将该物种放在了不同的演化位置，传统的形态学派认为它是形态派口中下口角鲨总目的基干类群（即最早分化与所有鳐类，扁鲨和锯鲨组成姊妹群）。为了更精准的确认该物种位于软骨鱼演化树上的位置，本篇报道的研究利用分子生物学指定的演化树拓扑结构+形态测量数据混合构建演化树的方式，测试了过去发布的各种演化假说，并提出了一些软骨鱼类演化的新见解。

关键词：原棘鲨，软骨鱼纲，演化，下口角鲨总目，分子框架限制。

• 分子 vs. 形态：软骨鱼类-板鳃亚纲演化的“鳐悖论” Molecular vs. morphological data: The "Ray Paradox" of Elasmobranchii tree of life

自分子生物学对应的演化理论引入古生物学之后，软骨鱼类的演化，一直是古生物学家热议的话题。现代软骨鱼类共有两个亚纲：全头亚纲（Holocephali，即银鲛）和板鳃亚纲 (Elasmobranchii，鲨鱼和鳐魟)，板鳃亚纲又下属三个总目（superorder）:真鲨总目（galeomorphii），角鲨总目（Squalimorphii）以及鳐总目（Batomorphii），这三个总目的构架得到了分子生物学与传统形态数据的支持。然而，大多数关于软骨鱼类演化的争议在于：鲨类两个总目与鳐总目的演化关系（interrelationship）。

传统的形态学数据（即通过不同的骨骼、牙齿等结构的数据测量值形成一个大的数据矩阵，来对生物类群构建系统发育树来解释其演化关系，下称形态派）构建的系统发生树认为：在角鲨总目（squalimorphii）中，包含着一个由锯鲨目(pristiophoriformes)，扁鲨目(squantiniformes)以及所有鳐总目成员组成的一个下属类群：hypnosqualea (暂译为：下口角鲨总目)，即这个假说认为：所有的鳐魟类物种是一种特殊的“衍生”鲨鱼，即它们是高度特化的鲨鱼，且与锯鲨，扁鲨关系相近。

与之截然相反，近年来随着DNA测序技术以及基因组学的发展，软骨鱼类线粒体DNA数据的爆炸式增长，新的分子数据（由线粒体编码基因，非编码基因和核编码基因序列组成）所构建的系统发育树认为（下称分子派）：鳐总目（batomorphii）和鲨总目（selachii）组成姐妹群（sister-group），并不是“高度特化的鲨鱼”。

在两派形成之后，各派之间的数据互不支持对方的观点。关于形态派的观点，仍存在许多疑点。例如：通过化石对时间的校订，所有三个板鳃类总目的最早分化时间不应当晚于早侏罗纪时期，但要是将这个时间线带入到下口角鲨总目假说中，就意味着，位于下口角鲨总目最基干（也就是最早分化出来的）位置的锯鲨与扁鲨，出现时间应当早于鳐总目。然而现实化石证据显示，锯鲨与扁鲨均出现于白垩纪（1.45亿年前）之后，即化石校定的时间无法与该演化树的结构相呼应。分子派的观点也并非完全是板砖一块：当采样时利用不同的序列作为演化树的输入数据时，不同的序列组成的演化树结构也依然有较大出入。且目前关于软骨鱼类的序列数据较为匮乏，分子派的准确度也受到了一些争议。

诸多问题仍亟待解决。

• 原棘鲨：归属之争 Protospinax: A Controversy of Interrelationship

我们今天的主题物种：原棘鲨（Protospinax annectans）便是一个归属成谜的物种。

原棘鲨是一种广泛分布于欧洲浅海的中小型鲨鱼，生存于侏罗纪中晚期至白垩纪早期，那时的欧洲大陆是温暖的特提斯洋，一片广袤的亚热带浅海，因此该地区的浅海软骨鱼类化石种类繁多。它们的化石多产于德国巴伐利亚的索伦霍芬石灰岩，年代为晚侏罗纪提通期，那里保存着许多同时期的完整的海洋生物化石。它们的体长约1米至1.2米左右，较大的个体全长约1.6-1.7m，体型类似于当代的大型须鲨属（Orectolobus）成员。

部分形态特征：拥有宽大且扁平的躯干，两个背鳍前端有背鳍棘；缺少臀鳍且营底栖生活；牙齿扁平，根据一些牙齿化石样本的CT扫描显示，它们的牙齿内部具有一个体积占比很大的牙髓腔，主要位于牙根处，顶部向牙冠延伸，钙化牙质由牙髓腔周边逐渐向牙冠与牙根延伸，缺乏牙骨质，这种牙齿钙化形式以及形态与锯鲨和大多数鳐类相似，牙釉质分三层；颌骨与软骨颅的接合方式为眼接型（orbitostylic, 这种接合颌骨和颅骨的方式常见于角鲨总目）;肩带乌喙部骨骼具有两个踝，前端的踝连接胸鳍的前、中鳍基软骨，后端的踝链接胸鳍的后鳍基软骨；盾鳞密集分布于头部、胸鳍前部尖端、背鳍以及尾鳍前端（其作用可能是降低迎水面的阻力，保证在游动时减少能量消耗），且有四种形态。他的化石最早由Woodward于1918年描述。

系统分类上，由于它的外表与扁鲨、锯鲨等较为相似，缺少臀鳍，形态学分类一般将其归入角鲨总目下。但是，它在角鲨总目内部的演化关系却可以用五花八门来形容：在其被描述的105年间，它在软骨鱼系统发生树上的位置至少变过6次，最早描述它的Woodward认为从形态上它是几种角鲨总目、真鲨总目和所有鳐类物种的直系祖先（没办法，1918年的生物系统分类是几乎无法用言语来形容的乱），后世的一些采用形态学数据的演化研究版本依然众多，形态学派种最广泛流传的观点说它是角鲨总目和鳐总目冠群的基干物种，或者认为它和扁鲨目/角鲨目/锯鲨目是姊妹群，有的根据牙齿形态和颌骨接合形态的证据以及背鳍上的棘刺，干脆认为它就是一种角鲨。甚至还有比较离谱的研究把它的不同标本划为不同的鳐鱼种类......不过后来那项研究的作者们自己驳斥了自己原来的结论，依旧认为它是角鲨总目的基干物种。尽管归属成谜，它依然被认为是研究软骨鱼化石与演化的重要样本，还被用于分子钟的校对。但是，由于之前大多数分析原棘鲨演化关系的种系分类全部都是基于形态学数据的（显然，人类还不足以复原它们那有着1.5亿年历史的基因组，能够复原的最古老的DNA年龄仅为200万年），这使之前得出的一些演化关系结论广受诟病。

• 开创首例的新研究 A New Research that Made Use of New Techniques

近年来，为了使古生物物种的研究与逐渐占主导的分子演化研究相兼容，一种新的种系分类学研究方式：分子构架限制法（molecular backbone constraint），逐渐被古生物学家所采纳，用来更精准的判断古生物位于分子数据所支持的系统发生树上的位置。这个研究方式，通俗点来讲就是：利用先前研究中受分子数据支持（DNA序列）并构建的系统发生树构架（即拓扑结构），将古生物物种加入这个系统发生树中，并比对其与所有其他物种的形态学数据，看看当前的树形结构能否支持该物种的演化关系，即：与单系群内的其他姊妹群具有相似的祖征（或称为共有衍征，synapomorphies，被一个类群的共同祖先及其所有后裔共享的性状）。这个方式曾被用于判断海蛇、巨蜥与沧龙科，狒狒，地钱以及龟类的现生、已灭绝物种的演化关系。软骨鱼的研究则从未使用过。

于是，2022年，一个由维也纳大学古生物学院，德国哥廷根大学，美国自然历史博物馆等机构组成的团队，尝试通过利用上文介绍的这种方式，来构建软骨鱼类系统发生树，并尝试将原棘鲨并入这个发生树，并辨认出相关支系中支持该支系结构的祖征（开创了软骨鱼演化研究的先例）。他们首先取得了产自巴伐利亚州索伦霍芬石灰岩层中挖掘到的四个保存完好的原棘鲨样本，并对其中一些主要特征进行测量。最终，一个涵盖了52个软骨鱼物种，224个主要形态结构数据的源矩阵得以建立，作为构建演化关系和系统发生树的输入数据。其中，6个属于真软骨头类（Euchondrocephali，即银鲛和其他基干全头类）的物种被选为系统发生分析的外类群，用来显著辨认剩余物种，增强分析的准确度。

通过种系发生树构建软件的建模和分析以及分子构架限制的引入，所有现代物种位于系统发生树中的位置按照Stein等人2018年制作的系统发育树结构而被固定，只有化石物种位置不被固定（也就是说它们没有分子数据，可以通过比对源矩阵中的形态数据来判断其共有衍征，改变其在系统发生树上的位置）。中间的分析过程不多说，直接上结果：

如图6所示，这项研究的多数原则一致演化树（majority-rule consensus tree）中，鲨类、鳐类的三个总目被正常还原，且形成了鲨鳐姊妹群，与分子数据支持的结构一致，并且原棘鲨成功与锯鲨、扁鲨形成姊妹群。图7所示的严格一致树（strict consensus tree），大家可以理解为这个树中所有涵盖物种形成的树形结构要比多数原则树拥有更高的统计学概率支持（即树形结构更可靠），原棘鲨在角鲨总目中的位置则相当模糊，无法确认所有目的分化顺序。

• 讨论：“鲨鳐姊妹”、三大总目、下口角鲨总目的可靠性以及原棘鲨演化归属 Discussion: reliability of "sister-group of shark & ray", three superorders and hypnosqualea as well as the exact evolutionary positioning of Protospinax

首先，这项研究大力的支持了之前分子数据的结论：鳐鱼并非是高度特化的鲨鱼，它们与鲨鱼形成姊妹群。不过形态学的数据给定的支持稍微少了一点：支持鲨总目所有物种形成一个单系群的共有衍征仅为：牙齿具有三层釉质，而现代鳐类的牙齿则仅有一层釉质。显然，我们还需要更多的形态学数据测量来兼容分子数据支持的演化关系。此外，根据严格一致树的统计结果，真鲨总目，角鲨总目和鳐总目的建立也得到了充分的形态支持，多个共有衍征良好的定义了这三个总目。例如，真鲨总目的共有衍征为：颌骨具有位于软骨颅上的筛骨结合点，舌颌软骨弓窝（hyomandibular fossa）位于内耳区域前端，咽鳃软骨丛形成一个刃状结构。角鲨总目则为：眼接型颌骨，三角形的眶后突起等。

最重要的部分，则是下口角鲨总目与原棘鲨的归属问题了。此前在90年代，“下口角鲨总目”假说被Shirai等人提出之后，支持这一假说的是被下口角鲨总目各成员共享的8个共有衍征，例如枕骨部分（颅骨与脊柱相连的区域）不具有枕骨基部凹陷（basioccipital fovea）；并且具有退化的或缺失的枕骨半椎（也就是脊椎上的第一块椎骨，嵌入枕骨下的棘孔中）；具有宽大的板状的上神经弓（supraneural）。然而根据本篇播报的更多结合现代CT扫描样本和解剖的研究，这些性状特征大多被证实不被原来的下口角鲨总目物种所共享，甚至具有更高的形态复杂性，例如枕骨半椎，多数角鲨总目物种都具有这个结构且并未退化，仅有鳐类退化或缺失了该结构。因此，形态学数据也具有足够的证据将下口角鲨总目废除。此前支持原棘鲨为下口角鲨总目的一些形态学证据也得到了重新解释：例如其扩张如板状的第二背鳍前的上神经弓（supraneuralia）和背鳍基板（basal plate of dorsal fin）可能是为了适应底栖生活而独立衍生的特征，并且一直延伸至其背鳍的腹面，与扁鲨和锯鲨类似。因此，结合这些证据与之前通过系统发育软件所得的一致演化树，原棘鲨暂时被认为与扁鲨和锯鲨形成了一个姊妹群关系。

这篇文章通过引入结合分子数据和形态数据的新方法，为软骨鱼类演化提供了新的形态学论述支持。但这篇研究的许多短板也由此暴露出来：一些背景数据现在依然缺乏，例如：角鲨目形态上的共有衍征以及演化归属长期受争议的棘鲨（Echinohinus）的共有衍征，现存真鲨，双髻鲨物种之间可以分辨的共有衍征。种种问题导致在演化分析过程中，一些演化关系的先后分化顺序难以得到解构（由此各位可以看到，在图7的严格一致演化树中，角鲨总目，鳐总目内部各支系的演化关系是含糊不清的，形成了多个多分叉结构（polytomy））。加上形态研究的结论会经常变动，总体上会随着样本的增多和研究方式的变更而被推翻或者延伸出新的结论。因此，对于读者而言，相关类似的研究提供的结论将是暂时的，在传播相关信息时要注意时效性，并且时刻关注最新的研究动态。

在未来，或许随着分子框架限制法的普及，以及更精确、广泛的软骨鱼形态学数据的获取，我们能离解开软骨鱼类整体演化关系之谜的那一天越来越近。

（原文献研究成果于2023年2月21日在MDPI下期刊“多样性”上发表）

完

原文献：

Jambura, P.L.; Villalobos-Segura, E.; Türtscher, J.; Begat, A.; Staggl, M.A.; Stumpf, S.; Kindlimann, R.; Klug, S.; Lacombat, F.; Pohl, B.; et al. Systematics and Phylogenetic Interrelationships of the Enigmatic Late Jurassic Shark Protospinax annectans Woodward, 1918 with Comments on the Shark–Ray Sister Group Relationship. Diversity 2023, 15, 311. https:// doi.org/10.3390/d15030311

参考文献：

Consensus trees. (n.d.). Retrieved February 25, 2023, from https://assets.geneious.com/manual/2022.0/static/GeneiousManualsu122.html

Stein, R.W., Mull, C.G., Kuhn, T.S. et al. Global priorities for conserving the evolutionary history of sharks, rays and chimaeras. Nat Ecol Evol 2, 288–298 (2018). https://doi.org/10.1038/s41559-017-0448-4