一項新的研究在4.5億年前的海洋生物中首次發現了複雜的呼吸器官的證據。與之前認為的相反，三葉蟲可以用位於腿部的呼吸器與外界完成氧交換，也就是大腿上掛著類似鰓的結構。三葉蟲是一群頭部呈半月形、類似馬蹄蟹的海洋動物，它們在進化方面取得了巨大的成功。雖然它們現在已經滅絕了，但它們卻存活了2.5億年以上，比一代霸主恐龍的存活時間還長。

得益於新技術和一組極其罕見的化石，來自加州大學河濱分校的科學家們現在可以證明三葉蟲可以直接獲取氧，並解釋它們是如何做到的。這些發現發表在《科學進展》雜誌上，有助於拼湊早期動物進化的拼圖。”到目前為止，科學家們已經將三葉蟲腿部的上分支與甲殼類動物的非呼吸上分支進行了比較，但我們的論文首次表明，上分支具有鰓的功能，”領導這項研究的UCR古生物學博士生Jin-Bo Hou說。

保存在黃鐵礦中的三葉蟲化石。Credit: Jin-Bo Hou/UCR

這項考古工作有助於將三葉蟲在進化樹上的位置更穩固地置於更古老的節肢動物，也就是一大群具有外骨骼的動物和甲殼類動物之間。

這項研究之所以能夠進行，部分原因是由於化石標本。已發現的三葉蟲有22000多種，但只有二十幾種動物的軟體部分可見。

“這些化石被保存在黃鐵礦中，這被稱為傻子的金子，但對我們來說，它比金子更重要，因為它是理解這些古老結構的關鍵，”UCR地質學教授和論文作者之一Nigel Hughes說。

CT掃描儀能夠讀取黃鐵礦和周圍岩石之間的密度差異，並幫助創建這些很少見的鰓結構的三維模型。

三葉蟲腿部的細節圖。資料來源：Jin-Bo Hou/UCR

“它使我們能夠看到化石，而不必對覆蓋標本的岩石進行大量的鑽探和研磨，”美國自然歷史博物館的研究小組成員古生物學家Melanie Hopkins說。”這樣一來，我們就可以得到在顯微鏡下都很難看到的景象–真正的小型三葉蟲解剖結構的寬度在10到30微米之間，”她說。作為比較，人類的頭髮大約有100微米厚。

研究人員可以看到血液如何通過這些精巧結構中的腔室過濾，在移動的過程中沿途拾取氧氣，這使得它們看起來與螃蟹和龍蝦等現代海洋節肢動物的鰓非常相似。

將黃鐵礦中的標本與另一個三葉蟲物種進行比較，為研究小組提供了更多關於腿部細絲如何相對於彼此排列的細節。

大多數三葉蟲在海底“拾荒”，使用它們下肢上的尖刺來捕捉和研磨獵物。在這些部位的上方，在四肢的上支上，是這些額外的結構，有人認為是為了幫助游泳或挖掘。

“過去，人們對這些結構的目的有一些爭論，因為上肢並不是呼吸裝置的好位置，”Hopkins說。”你可以認為那些絲狀物很容易被沉積物堵塞，但它們為什麼要在身體上的那個地方進化出這種結構，這是一個懸而未決的問題。”

休斯實驗室利用化石來回答關於生命如何針對地球大氣的變化而發展的問題。大約在5.4億年前，生活在海洋中的動物種類和復雜性出現了爆炸性的多樣化。

“我們理論上已經知道這種變化一定與氧的增加有關，因為這些動物需要氧的存在。但我們幾乎沒有能力來衡量這一點，”休斯說。”這使得這樣的發現更加令人興奮。”