4.38億年前“長興魚”化石驚現浙疆兩地，再證大陸漂移假說

我所帶領的研究團隊，是在朱敏院士悉心指導下，經過 20 多年磨合，逐漸成長起來的一支非常年輕的青年團隊。團隊主要從事中國盔甲魚類的的起源、演化及相關的生物地層、古生物地理的研究工作。

盔甲魚類是東亞地區特有的一種四億多年前的“戴盔披甲”的甲冑魚類，目前只發現於我國和越南北部的志留—泥盆紀地層裡。我國盔甲魚類化石的發現，可以追溯到上世紀之初。1913年，我國地質事業奠基人丁文江先生在擔任中國地質調查所所長兼地質研究所所長期間，隻身赴雲南考察，並在翠峰山和廖角山（現稱“寥廓山”）早泥盆世的西山村組採得魚化石。這些魚化石後來經美國古生物學家葛利普（Grabau）鑑定爲頭甲魚（Cephalaspissp.），即我們今天的盔甲魚類。但一直到1965年，我國古魚類學家劉玉海先生纔對我國的盔甲魚化石首次進行了系統古生物描述，成爲盔甲魚研究第一人。100 多年來，經過中國數代古生物學家的努力，中國的盔甲魚類總共命名了約 100個種，並建立起亞綱一級的分類單元，成爲與骨甲魚亞綱、異甲魚亞綱、缺甲魚亞綱、花鱗魚亞綱並列的“甲冑魚類”五大類羣之一。

20世紀90年代末，隨着劉玉海、潘江、王念忠、王俊卿等老一輩研究盔甲魚類的古生物學家陸續退休，中國盔甲魚類的研究也面臨着一個青黃不接的尷尬局面，亟需年輕人來注入新鮮的血液。

2002年，我從山東科技大學地球科學系畢業，考到中國科學院古脊椎動物與古人類研究所攻讀碩士研究生，有幸成爲朱敏院士的第一個學生，開始接手中國盔甲魚類的研究。2006年，我又獲得英國皇家學會全額獎學金，在英國布里斯托大學攻讀博士學位，師從英國皇家科院院士Philip C. J. Donoghue 教授，繼續開展中國盔甲魚類的研究。

2012 年，我學成歸國，在中國科學院古脊椎動物與古人類研究所工作，帶領學生深入開展中國盔甲魚的形態學、解剖學、系統學和生態學研究，分別用了兩個十年的時間，成功地解決了盔甲魚類腦顱內部解剖和頭後身體解剖兩大百年難題，從而爲人類頜的發育起源、中耳的魚鰓起源和四肢的鰭褶起源理論提供了最爲關鍵的化石證據。

研究成果在2011年和2022年在《自然》雜誌上分別以封面推薦和封面文章發表後，引起了學術界廣泛關注，被認爲是演化發育生物學的經典案例，先後入選了歐美日等國家和地區十幾種教科書，例如《演化發育生物學》、《演化神經學》、《生命史》、《古脊椎動物學》等。同時，我也指導學生開展盔甲魚類生物地層學和古生物地理學研究。

古生物化石證據在證明大陸漂移假說的過程中起了非常關鍵的作用。1910年，德國著名氣象學家、地球物理學家魏格納發現大西洋兩岸形狀能夠互補，從而萌發了大陸漂移思想。他認爲：全球的陸地在2億年前還是一個彼此相連的整體，後來由於受到力的作用，纔不斷分離並漂移到現在的位置。

爲了驗證這一假說，科學家找到了許多證據，其中最有說服力的證據之一就是來自古生物水龍獸的化石證據。水龍獸是一種生活於約2億年前的一種似哺乳爬行動物，主要生活在陸地上，無法進行跨海遷徙，但是它們的化石卻廣佈於我國新疆、非洲南部、印度、南極洲等地的二疊紀末-早三疊世地層中，其跨大洋的廣泛分佈，有力地說明了這些化石點當時可能處於同一個聯合大陸——岡瓦納大陸。

中國盔甲魚類在證明板塊漂移學說中同樣起着舉足輕重的作用!盔甲魚類是一類主要生活在靠近古陸邊緣的瀉湖、三角洲、濱海至淺海等環境的魚類，主要營底棲濾食性生活。大多數盔甲魚類頭甲扁平，缺少成對的偶鰭，表明其游泳能力較弱，擴散、遷移的能力有限，遼闊的陸地和寬廣的海洋均成爲其擴散、遷移的障礙。因此，盔甲魚類具有強烈的土著性色彩，它們的分佈能夠被用來劃分古生物地理區域。

近日，我指導我的學生李旭彤、張雨萌、山顯任等在《地質學報（英文版）》發表封面文章，報道了我們志留紀早期盔甲魚類古生物地理研究上的一項重要進展，即我們在華南板塊和塔里木板塊都發現了盔甲魚類長興魚的蹤跡，不僅豐富了我們對長興魚形態和多樣性的認識，還爲板塊漂移學說提供了新的證據[1]。

封面展示了研究團隊新疆塔里木盆地志留系下部發現的一片巨大的波痕構造，指示了一種淺海環境。念忠長興魚和顧氏長興魚大約在4.38億年可能生活在塔里木-華南聯合板塊周邊的同一片淺海環境中。

（圖片來源：《地質學報》封面）

長興魚是一種生活在距今約4.38億年的志留紀早期的最古老的盔甲魚類，它們個體非常小，頭甲扁扁的，整個頭甲大約只有3.5釐米左右，加上身體應該不超過10 釐米，眼睛有一對，但鼻孔只有一個，呈橫寬的裂隙形，眼睛和鼻孔都長在頭頂之上，沒有咀嚼食物的上下頜，沒有成對的胸鰭和腹鰭，因此，它們很可能是一種生活在海底，營底棲生活且游泳能力不強的魚類。長興魚在系統分類上屬於盔甲魚亞綱修水魚科，屬於早期盔甲魚類中的原始類羣，在很多形態特徵上代表了盔甲魚的原始狀態。

長興魚最早由古魚類學家王念忠先生於1991年建立，其模式種爲產自浙江長興縣誌留紀海相紅層中的顧氏長興魚(Changxingaspis gui)，屬名長興——來源於化石標本的發現地浙江省長興縣，種名——顧氏，則是王念忠先生爲了紀念其南開大學恩師顧長東教授。

顧氏長興魚在浙江長興的發現（a） 2003年作者一個人在長興野外採集化石;（b）浙江長興含魚地層柱狀圖；(3) 時隔 20 年，2023 年研究團隊重返浙江長興小浦鎮長興魚化石發現地（左起：賈連濤、趙文金、朱敏、蓋志琨、山顯任）；(d)顧氏長興魚生態復原圖。（圖片來源：作者供圖）

顧氏長興魚的發現是一個跨越40年，歷經四代古生物學家接力完成的研究故事。

早在1988年，中國地質博物館的潘江先生就在浙江省長興縣煤山小浦煤校附近開展野外工作，並發現了疑似長興魚的化石標本，但由於化石保存不完整，潘江先生並未對其正式命名定新種，將其暫時鑑定爲修水魚屬待定種（Xiushuisaspis sp.）。

1977年，古生物學家王念忠先生作爲我國改革開放後首批派往法、德、英國研修的十位科技工作者之一，前往法國國立自然博物館古生物研究所，師從著名古魚類學家雷曼（J. Lehman）研究新疆晚二疊世魚類大化石。兩年研修期限內，王念忠先生不僅出色完成了晚二疊世魚類化石的研究，還着重瞭解了自己感興趣的無頜類腦顱和魚類微體化石研究。

回國後不久，王念忠先生便向時任中國科學院古脊椎動物與古人類研究所所長的周明鎮先生提出，希望在國內開展兩項重要研究工作，其中一項便爲盔甲魚類腦顱的研究。根據潘江先生的早期發現，王念忠先生將考察重點放在了浙江長興地區，通過多年的努力，終於採集到了大量盔甲魚類化石，特別是一批保存精美的盔甲魚類腦顱化石。

1991年，王念忠先生正式發表了這批珍貴化石材料，並命名了兩個新屬種，分別是雷曼煤山魚和顧氏長興魚[2]。2003年，我在朱敏和王念忠兩位先生的帶領下，來到浙江長興地區採集化石，收集碩士論文材料。

此後，我每年都要獨自一人前往浙江長興一帶尋找化石，在那裡一待就是幾個月。我記得那時的科研經費還非常緊張，在野外租不起越野車，爲了節約開支，就住在老鄉家裡，並跟老鄉借了一輛自行車，騎着車去化石場採化石。

2003-2007年五年間，我在浙江省西北部的長興區進行了五次野外地質考察。“功夫不負有心人”，長年的野外堅持，我終於在這裡取得了突破性進展，又採集到了大量浙江曙魚和顧氏長興魚的化石。但後來，由於研究團隊把研究重點放在了浙江曙魚腦顱的研究上，顧氏長興魚的研究就暫時被擱置了起來，這一擱置就是20年。一直到 2022 年，江西師範大學的本科生張雨萌、李旭彤加入到中國科學院大學生“科創計劃”來，我們才重新啓動了長興魚的研究。該計劃以項目的形式，資助全國各高校中理工科專業二或三年級本科學生中的成績優秀者，到中國科學院開展6-12月的科研創新實踐活動。張雨萌、李旭彤在我和我的碩士研究生山顯任的共同指導下，歷時兩年，終於完成了對長興魚的研究，最終將研究成果以封面文章的形式發表在《地質學報（英文版）》上。因此，長興魚的發現和研究是一個薪火相傳、歷經四代古生物人接力完成的科研故事。如今我當年的研究生山顯任已經順利考到英國布里斯托大學攻讀博士學位，而當時的本科生張雨萌、李旭彤也已經順利考到中國科學院古脊椎動物與古人類研究所攻讀碩士學位，繼續續寫着這一薪火相傳的科研故事。

顧氏長興魚化石及形態復原

（圖片來源：參考文獻1）

顧氏長興魚一種具有橢圓形頭甲的小型盔甲魚類，其頭甲長度大約爲3.5 釐米，個體大小大約是修水魚的2倍。在頭甲的末端，長興魚有一對向內側彎曲的鐮刀形的內角非常發育，而修水魚這一對內角幾乎不發育，因此王念忠先生並不贊同潘江先生把這些新材料歸到修水魚屬（Xiushuisaspis），而是代表了修水魚科的一個新屬、新種，並命名爲顧氏長興魚（Changxingaspis gui）。

尤其令人驚歎的是，顧氏長興魚保存了精美的腦顱結構，通過對它的復原和研究，盔甲魚腦顱內部的解剖學信息得以被瞭解，這是當時有關盔甲魚類腦顱研究最全面、最深入的一項研究成果[2]。但是由於化石材料的限制，我們對顧氏長興魚頭甲腹面的信息卻知之甚少。

而此次研究的顧氏長興魚新材料是一對完整頭甲的正負模，揭示出顧氏長興魚更多頭甲腹面的信息，包括鰓孔、鰓後壁和鰓後區等。研究表明，除了內角的基部之外，長興魚的頭甲腹側部分比背側短得多，這部分在鰓後壁結束，因此長興魚頭甲腹側沒有細長的鰓後區，這與原來的認識不同。

新疆塔里木盆地位於新疆南部，地處陸上絲綢之路核心地帶，曾是歷史上“絲綢之路”的必經之地。同時，塔里木盆地也是一個大型疊合克拉通含油氣盆地，面積約56×104平方千米，是我國21世紀的戰略能源基地。

上世紀末“塔里木盆地油氣資源”的八五、九五科技攻關項目，使得塔里木盆地古生物化石的研究取得了突破性進展。然而，在古生物學方面，由於塔里木盆地的盔甲魚類標本大多破碎、殘缺不全，導致該地區的盔甲魚類總體研究程度仍然非常低。2007年以後，該地區的相關研究便停滯不前。

2012年，我學成回國後，就重新啓動了新疆塔里木盆地志留系古魚類的野外考察，並在2018年報道了在新疆塔里木盆地志留系發現最早的多鰓魚類——鋸齒寬腹魚，將多鰓魚類的起源由早泥盆世提前至志留紀蘭多維列世，向前推進了大約兩千萬年[3]。

鋸齒寬腹魚展現出許多與現代鰩類平行進化的特徵，很可能代表了盔甲魚類一種新的生活方式——半埋藏的生活方式。新的生活方式使盔甲魚類能夠更好地隱藏自己，躲避捕食者。可能得益於這種新的生活方式，鋸齒寬腹魚所屬的古木魚科成爲盔甲魚亞綱中生存時間最長的一個支系[3]。

2019年，我們又組織了一次野外考察，發現了張氏西域魚的新材料，並把它歸入修水魚科，這一發現打破了塔里木盆地沒有修水魚科化石的傳統認識[4]。

2020年，我們得到國家自然科學基金的資助。2021～2023年，研究團隊克服疫情期間的重重困難，先後多次赴新疆塔里木盆地進行野外調查，完成了三次大規模的野外挖掘，最終在新疆柯坪克爾買提地區的塔塔埃爾塔格組採集到豐富的盔甲魚類化石。

經過長達三年的挖掘、室內修理和對比研究。2023年，我們在國際學術期刊《古地理、古氣候、古生態》又首次報道了在新疆塔里木盆地發現的真盔甲魚類——戎氏江夏魚，這是研究團隊繼2018年在塔里木盆地首次發現最古老的多鰓魚類以來，又在該地區首次發現了最古老的真盔甲魚類[5]。這些化石對塔里木盆地古生代古地理分析意義重大！

野外團隊在新疆柯坪克爾買提地區塔塔埃爾塔格組中發現大片波痕構造，指示了該片地區在 4.38 億年前曾是一片淺海環境

（左起山顯任、林翔鴻、蓋志琨、趙日東）

（圖片來源：作者供圖）

而本次研究並命名的長興魚新種——念忠長興魚代表了長興魚屬在塔里木盆地的“首次發現”，種名以紀念王念忠先生在長興魚腦顱解剖學和頭甲形態學研究方面作出的奠基性工作。新種以中背孔寬長比爲3，側橫管延伸至頭甲側緣以及第二側橫管的末端二分叉等特徵與顧氏長興魚明顯區分。

念忠長興魚化石及形態復原

（圖片來源：參考文獻1）

系統古生物學研究在一定程度上也是一個爲已滅絕生物的尋親之旅，特別是找到了同一個屬的幾個不同物種的時候，堪稱找到了該物種的兄弟姐妹，具有非常重要的生物地層意義，表明兩個物種形成地理隔離不久，剛剛分化成兩個新物種。念忠長興魚代表了長興魚屬在塔里木板塊的首個化石記錄，它的發現相當於爲遠在萬里之外顧氏長興魚找到了親兄弟，具有重要的生物地層和古動物地理意義。

2023年，我們與中國科學院南京地質與古生物研究所戎嘉餘院士團隊聯合，對我國東部蘇浙皖地區的志留系典型剖面逐一進行了實地考察和論證，最終將這套海相紅層確立爲康山組，康山組時代確立的關鍵證據之一就是來自長興魚化石的證據。

產自浙西北地區康山組中的盔甲魚類包括修水魚科的長興魚和真盔甲魚類曙魚、煤山魚和安吉魚。之前的分類學研究根據“總體形態相似性”，曾將康山組中的曙魚等真盔甲魚類和西坑組中的中華盔甲魚進行對比，進而認爲唐家塢組和西坑組層位相當，其時代爲志留紀蘭多維列世特列奇晚期。

最近，基於系統發育分析得到的分類學結論則清楚表明：康山組中的曙魚、煤山魚和清水組中的清水魚構成一個單系類羣——曙魚科；康山組中的網狀安吉魚和清水組中的刺蝟安吉魚則構成另一個單系類羣——安吉魚屬；上述兩個單系羣均較上紅層西坑組中的中華盔甲科更爲原始。因此，從真盔甲魚類化石的角度，康山組被認爲屬於下紅層並可與清水組進行很好對比。

志留紀早期塔里木-華南聯合板塊古地理及修水魚科分佈

（圖片來源：參考文獻1，3）

然而，修水魚科也曾被作爲浙西北海相紅層與上紅層西坑組對比的一個標誌，隨着近年來魚類生物地層學研究的深入，研究發現儘管修水魚科具有更長的地層延限（從志留系下紅層向上延限至上紅層），但該科成員在不同的層位顯示出不同的組成面貌。

其中，西域魚屬僅出現在志留系下紅層（清水組和塔塔埃爾塔格組），修水魚屬則僅出現在志留系上紅層（西坑組）。長興魚屬在新疆志留系塔塔埃爾塔格組中的發現證明該屬同樣屬於下紅層中的分子。因此，本研究從長興魚的角度進一步支持浙西北的含魚海相紅層（康山組）屬於下紅層。

此外，念忠長興魚是繼江夏魚屬和西域魚屬之後，華南和塔里木盆地共有的第三個盔甲魚類屬種，進一步支持了我國塔里木盆地和華南地區在約4.38 億年可能距離很近，甚至可能屬於同一板塊，即塔里木-華南聯合板塊的假說，從而爲我國志留紀早期華南和塔里木之間發生的多次密切的生物交流事件提供了地理基礎。

參考文獻：

出品：科普中國

作者：蓋志琨（中國科學院古脊椎動物與古人類研究所）

監製：中國科普博覽