在4.7亿年的进化之路上，黑珊瑚学会了“从繁殖简化”

在4.67亿年前的海底，一群生长着六只触手的珊瑚虫正忙着“盖房子”。它们通过分泌的几丁质轴骨连接形成茂盛的黑色网格珊瑚。几亿年后，现有的黑珊瑚看起来像“柳枝”，枝条纤细灵活。

为什么会有这样的差异?黑珊瑚是如何进化和发展的?在这方面，西北大学地质系早期生命研究团队与中国科学院深海科学与工程研究所和许多国际研究团队一起回答了这个进化的谜团。

“我们的研究不仅建立了两种新的黑珊瑚化石，弥补了黑珊瑚进化史上的关键空白，而且揭示了它们的骨骼结构经历了‘简化繁殖’的适应性进化。”西北大学地质系研究员韩健说。

4月8日，通信生物学在网上发表了相关研究成果。

海底“带刺玫瑰”谜团

现代黑珊瑚有8个科目，301种，75%生活在海底。与普通珊瑚不同，黑珊瑚是一种发枝状的六射珊瑚，即构成它的珊瑚虫一般有六个触手。

从外观上看，黑珊瑚非常漂亮，每个珊瑚的个人枝干都很复杂，就像一朵带刺的海底“黑玫瑰”。这些“刺”位于“轴骨”中，是珊瑚虫分泌的一种黑色几丁质中轴骨，上面覆盖着许多纵向排列的骨刺。

黑珊瑚轴骨具有很强的耐腐蚀性，应更容易保存为化石。然而，人们在地质记录中发现的黑珊瑚化石极为稀缺，因此其演变过程长期以来一直是个谜。

早在2011年，中国和波兰科学家就在大约4.7亿年前的湖北奥陶纪地层中发现了当时世界上唯一的黑珊瑚化石。这种化石包括“爬行中国黑珊瑚”和“辐根硬黑珊瑚属”。

然而，由于两个轴骨表面都有平行的垂直线和网状结构，与现代黑珊瑚有显著的不同，学术界仍然质疑它们的分类地位。

“解决异议的关键在于我们能否找到这两种化石和现代物种的过渡类型。”韩健告诉《中国科学报》，他的团队最近在陕南宁约4.67亿年前的奥陶世地层发现了256颗短杆状微体黑珊瑚化石，它们分为两种新的黑珊瑚化石，正处于早期奥陶世黑珊瑚化石和现代黑珊瑚之间的过渡阶段。

参与本研究的波兰合作者Andrzej Baliński回忆说，2011年的发现完全令人惊讶，毕竟，黑珊瑚在化石记录中完全空白。“从那以后，我们一直在思考：这些珊瑚在漫长的岁月里经历了什么样的演变?”陕西奥陶纪发现的新化石终于回答了我们十多年前的欺骗行为。”

“由繁化简”是生存之道

通过高分辨率显微CT技术，研究人员完全重建了256个化石黑珊瑚的三维内部结构，确定它们属于两种新的黑珊瑚化石——垂直脊柱硬黑珊瑚和硬黑珊瑚。

论文第一作者、西北大学地质系博士郝文静介绍，纵脊硬黑珊瑚的轴骨表面有多边形网状结构，脊呈多向展示，但总体上平行纵轴呈垂直延伸趋势;硬黑珊瑚很少有网状结构，大部分脊柱平行于长轴方向，但仍有部分斜交。

郝文静说：“这两种新发现的黑珊瑚类型和湖北早奥陶世发现的辐根硬黑珊瑚都有网状结构，所以可以归类为新的硬黑珊瑚科。”。

从4.7亿年前的爬行中国黑珊瑚和辐根硬黑珊瑚，到4.67亿年前的纵脊硬黑珊瑚和硬黑珊瑚，再到今天的黑珊瑚，这是一条怎样的演变道路?

在掌握现有化石证据的基础上，通过国际合作，团队获得了美国史密森尼国家自然历史博物馆和德国巴伐利亚州立动物学博物馆之前交换的黑珊瑚模式标本信息，以进行进一步的比较研究。

研究结果表明，从早期奥林匹克陶瓷世界到现代，这种生物骨骼结构发生了“从简化繁殖”的变化——最初呈现出密集的“网格形状”，然后网格开始垂直“拉伸”，最终成为几乎只有规则垂直排列的“树枝形状”。

对此，郝文静解释说，地层越老，黑珊瑚与骨刺相连的横脊数量就越少。随着脊柱高度的降低，骨刺和脊柱的延伸方向逐渐趋于纵向排列，最终导致复杂的网格结构消失。“为刺胞动物进化研究和深海生物适应性机制提供了证据。”

黑珊瑚框架从复杂的网格状向规则纵向排列。为什么会有这样的简化趋势?

“网格结构可能有利于珊瑚的生长、营养共享和对水和捕食者的抵抗，但当时海洋环境中激烈的生态竞争促进了黑珊瑚的向上生长。”韩健说，这一简化趋势也为刺胞动物进化研究和深海生物适应性机制提供了证据。

下一步，迎接新的挑战

在研究中，韩健还提出了一个突破性的观点，认为硬黑珊瑚的多边形网状结构可能与现代六射珊瑚硬珊瑚中的珊瑚杯相似，后者是单个珊瑚底部和侧部分泌的钙基础。

“珊瑚杯的组合过程与奥陶纪黑珊瑚网格的简化方法非常相似，这可能意味着两种珊瑚遵循趋同的进化机制。”他说。这也是下一个密切关注的方向。

研究表明，海洋中的直立枝状人群刺细胞动物，如水蛇和八射珊瑚，都起源于爬行或毯状人群，而爬行人群是由独立生活的人通过无性繁殖进化而来的。

基于这种演变模式和六射珊瑚的谱系，黑珊瑚也可能经历了从单一到人群、从毯子到直立人群的不同演变阶段，但具体过程仍需要更多的化石证据来支持。

“大多数黑珊瑚栖息在海底，人们对它知之甚少，对黑珊瑚化石的系统研究近年来才逐渐开始。”中国科学院深海科学与工程研究所副研究员宋希坤向记者展望，今后将继续寻找最早的黑珊瑚化石记录，在深渊海底寻找最深的黑珊瑚极限分布记录，继续解决这些黑珊瑚研究领域更具挑战性的新谜题。