摘要
近日，国际著名学术期刊《科学.进展》（Science Advances）在线发表了美国自然历史博物馆余逸伦博士（原古脊椎所直博生），Roger Benson教授和我所徐星院士关于脊椎动物由水上陆及四足动物冠群早期分化的重要成果（题目：Decoupled phenotypic constraints framed by respiratory adaptation in the rise of land vertebrates）。该研究聚焦泥盆纪中期至二叠纪的早期四足动物，结合包含344个物种的新数据集和宏演化模型揭示了现生羊膜动物与滑体两栖类在体型演化可塑性、头骨形态及呼吸功能上的根本差异，在两大类群分化之初便已确定。这种深时的演化分异不仅奠定了现代陆地生态系统的基本格局，其发生时间更比现生类群的大规模辐射早了数亿年。
封面图：早二叠世繁忙的午后，一只异齿兽（早期羊膜动物）正咬住一条鲨鱼，远处一只引螈（离片椎类）正叼起一只笠头螈（羊膜动物干群） （https://www.huffpost.com/entry/paleoart-julius-csotonyi-illustrations_n_5226787）
脊椎动物由水上陆是演化历史中最为重要的事件之一。这些在泥盆纪晚期登陆的先驱最终演化为现代四足动物的两个类群：羊膜动物（爬行动物和哺乳动物）和滑体两栖类（青蛙，蝾螈和蚓螈）。然而，“上岸”并不是一件容易的事情。除了需克服重力并重构运动系统外，还必须通过新的呼吸器官与机制利用大气氧气并排出二氧化碳，从而在离开水环境后依然能维持体液的酸碱稳态(1)。很多早期四足动物依然保留有内鳃，通过鳃呼吸在水中进行气体交换。内鳃在演化到羊膜动物和滑体两栖类的支系上丢失，使得这些进步的四足动物主要通过肺部进行气体交换。现代滑体两栖类拥有很扁的头骨和非常短的肋骨，使得它们无法通过扩张胸廓将气体吸入或者呼出肺部，但可以通过口腔底部的升降，像活塞泵一样完成气体交换（口腔泵吸，Buccal pumping，图1）。然而这种低效的呼吸方式并不能完全满足滑体两栖类气体交换的需求，因此它们还需要依靠皮肤呼吸（Cutaneous gas exchange）来排出二氧化碳。这种对于皮肤呼吸的依赖使得它们必须保持很小的体型，从而维持较大的表面积-体积比。相比之下，羊膜动物发育有修长弯曲的肋骨，从而实现了高效的胸廓呼吸（Costal ventilation）（图1）。这种呼吸功能的建立使得羊膜动物的体型和头骨形态不再受到呼吸功能的约束。这一变革使得羊膜动物在演化历史中发展出了极高的体型和头骨功能多样性，并得以占据更广阔的生态位，最终成为现代陆地生态系统的主宰。上述差异表明，在脊椎动物征服陆地的进程中，体型与头骨形态的宏演化模式与呼吸功能的分化存在关联。这种关联性在羊膜类与滑体两栖类分化的初期可能已经存在了，并预示了这两大类群截然不同的演化轨迹
图1 上排为口腔泵吸，下排为胸廓呼吸 （https://en.wikipedia.org/wiki/Buccal_pumping#/media/File:Two_stroke_buccal_pumping.jpg）
为了深入探索这些特征在早期四足动物中的协同演化，研究团队构建了涵盖泥盆纪中期至二叠纪早期、包含344种早期四足动物的数据集，并结合枝端定年法和多种宏演化模型对数据集进行分析。结合系统发育信息的体型多样性分析显示，早期四足动物的体型多样性在泥盆纪晚期到石炭纪早期之间显示出持续增加的趋势，未受到泥盆纪晚期生物大灭绝的影响，并在之后的时间里一直维持在较高水平（图2B）。这一结果说明不同体型的早期四足动物支系都穿过了大灭绝事件，从而对Sallan等人提出的泥盆纪晚期大灭绝之后四足动物的体型演化存在长期的利力浦效应（Prolonged Lilliput Effect）进行了证伪(2)。对体型的祖先状态恢复显示多数基干四足动物和离片椎类拥有较大的体型，而羊膜类支系四足动物和与滑体两栖类亲缘关系最近的离片椎类（两栖螈类，Amphibamiformes）普遍拥有较小的体型。体型在早期羊膜动物中的一些支系，如下孔类，存在变大的现象。这些结果表明，不同支系的早期四足动物可能处于不同的体型适应带（Adaptive zone）（图2A）。
图2 早期四足动物的体型演化模式以及体型多样性随时间的变化（分析时已做对数变换，图片为便于解读使用原始数据）
为了更严谨的对比不同早期四足动物类群体型的演化动力学差异，研究团队对比了多个宏演化模型，最终确定早期四足动物的体型演化服从多分区的奥恩斯坦.乌伦贝克过程（Ornstein-Uhlenbeck process）(图3A)，并发现基干四足动物和多数离片椎类都占据了大型化的适应带，而羊膜类支系四足动物和两栖螈类都进入了小型化适应带。虽然羊膜类支系四足动物和两栖螈类相较于祖先类群都进入了小型化适应带，但两者的演化动力学特征存在显著差异：羊膜类表现出较低的演化约束，而两栖螈类则表现出极高的约束性。这种差异预示了羊膜动物具有更高的演化潜力，使其能够突破小型化适应带的限制，演化出更大的体型（图3B-E）。
图3 对体型的演化模型拟合
对肋骨形态和颈椎数量的祖先状态恢复（图5A和B）和相对头骨高度的演化模型拟合显示（图4），多数基干四足动物和离片椎类支系具有颈部分区短，肋骨短小且头骨极为扁平等特征。这些证据一致表明口腔泵吸是肺部呼吸的祖先状态，存在于多数早期四足动物中，并最终被两栖螈类和滑体两栖类继承。尽管部分物种发育有较长的肋骨，但其曲率极小且伴有大型钩突，使得整个肋骨笼叠附在一起，形成一个稳定的整体。相比于改变胸廓体积，这样的形态更适合结构支撑（如引螈）(3)。修长且显著弯曲的肋骨和较长的颈部在羊膜类支系四足动物上逐渐出现，表明这些现代哺乳动物和爬行动物的先驱逐渐具备胸廓呼吸的能力。
图4 对相对头骨高度的演化模型拟合 （分析时已做对数变换，图片为便于解读使用原始数据）
多数基干四足动物和离片椎类具有较大的体型和通透性较差的皮肤，因此它们无法完全依赖皮肤呼吸排出二氧化碳。鉴于口腔泵吸的效率低下，内鳃是它们排出二氧化碳的主要方式(4)。随着内鳃在两栖螈类中丢失，这一类群不得不转而高度依赖皮肤呼吸以补偿口腔泵吸的效率不足。化石证据显示两栖螈类的皮肤通透性较基干四足动物和其它离片椎类有所增加，有助于提高气体扩散的效率(5)。然而高效的皮肤呼吸依赖于高的表面积-体积比，这种呼吸功能带来的约束使得两栖螈类被限制在小型化的适应带中，且被它们的后代——滑体两栖类继承。尽管羊膜类支系四足动物也丢失了内鳃，但是它们发展出了更为高效的胸廓呼吸。由于不再依赖皮肤呼吸，羊膜类支系四足动物彻底摆脱了表面积-体积比的约束，因此可以演化出更大的体型。伴随着胸廓呼吸的逐渐成熟和颈部的加长，羊膜动物的头骨形态也逐渐从呼吸功能中解放出来并向高颅型头骨演化（图4B和D）。高颅型头骨的起源促进了咬肌系统的功能分区，从而为植食性的演化提供了关键的生物力学基础。这一演化革新使得羊膜动物占据大量的植食性生态位。进入二叠纪早期，无论是植食性动物还是其捕食者，均成功突破了最大体型的演化约束，实现了体型的显著增长。
图5 肋骨形态和颈椎数量的祖先状态恢复，及肋骨形态与相对头骨高度的关联演化模型拟合
本研究在早期四足动物中检测到的宏观演化模式，深刻映射了现代陆地生态系统中四足动物的生态位分异格局。从二叠纪早期至今，羊膜类展现出了跨越数个数量级的体型多样性——从重达 70 吨的巴塔哥尼亚巨龙到仅数克重的侏儒叶变色龙。相比之下，滑体两栖类虽具有极高的物种多样性，但受限于对皮肤呼吸的生理依赖，其体型演化始终被限制在极小的尺度内。本研究进一步证实，现生羊膜类与滑体两栖类在体型演化可塑性、头骨形态及呼吸功能上的根本差异，在两大类群分化之初便已确定。这种深时的演化分异不仅奠定了现代陆地生态系统的基本格局，其发生时间更比现生类群的大规模辐射早了数亿年。
图6 体型，头骨形态和呼吸功能特征的演化模式总结
本研究受到美国自然历史博物馆RGGS博士后基金和克拉通破坏与陆地生物演化项目的支持。余逸伦博士为论文的第一作者兼通讯作者，Roger Benson教授为共同通讯作者，古脊椎所徐星院士参与了该研究。
论文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.aeb0801
参考文献
1. C. M. Janis, J. G. Napoli, D. E. Warren, Palaeophysiology of pH regulation in tetrapods. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences 375, 20190131 (2020).
2. L. Sallan, A. K. Galimberti, Body-size reduction in vertebrates following the end-Devonian mass extinction. Science 350, 812-815 (2015).
3. C. M. Janis, J. C. Keller, Modes of ventilation in early tetrapods: costal aspiration as a key feature of amniotes. Acta Palaeontologica Polonica 46, 137-170 (2001).
4. F. Witzmann, E. Brainerd, Modeling the physiology of the aquatic temnospondyl Archegosaurus decheni from the early Permian of Germany. Foss. Rec. 20, 105-127 (2017).
5. F. Witzmann, CO2-metabolism in early tetrapods revisited: inferences from osteological correlates of gills, skin and lung ventilation in the fossil record. Lethaia 49, 492-506 (2015).
