根據一項新的研究，一種完整保存了神經系統的微小海洋生物的化石解決了一個世紀以來關於大腦如何在節肢動物中進化的爭論，節肢動物是動物王國中物種最豐富的群體。一項新的研究提供了對Cardiodictyon catenulum的首次詳細描述，這是一種保存在中國南部雲南省岩石中的蠕蟲狀動物。

該化石幾乎沒有半英寸（不到1.5厘米）長，最初於1984年被發現，直到現在還隱藏著一個重要的秘密：一個保存得很好的神經系統，包括一個大腦。這項研究於11月24日發表在《科學》雜誌上，由亞利桑那大學神經科學系的攝政教授尼古拉斯-斯特勞斯菲爾德和倫敦大學國王學院進化神經科學的讀者弗蘭克-赫斯領導。

斯特勞斯菲爾德說：”據我們所知，這是迄今為止我們知道的最古老的大腦化石。”

Cardiodictyon屬於一個已滅絕的動物群體，被稱為心網蟲，它們在一個被稱為寒武紀的時期早期大量存在，當時幾乎所有的主要動物品係都在5.4億年到5億年前的極短時間內出現。心網蟲很可能使用多對柔軟、粗壯的腿在海底移動，這些腿缺乏它們優化後的產物- 關節。今天與lobopodians最接近的活體親屬是主要生活在澳大利亞、新西蘭和南美洲的櫛蠶。

Cardiodictyon catenulum化石於1984年在中國雲南被發現。在這張照片中，該動物的頭部在右邊。資料來源：Nicholas Strausfeld/亞利桑那大學

可以追溯到19世紀的辯論

Cardiodictyon的化石顯示，這種動物的軀幹是分段的，其中有被稱為神經節的神經結構的重複排列。這與它的頭部和大腦形成了鮮明的對比，兩者都缺乏任何可分割的證據。

據作者說，這一發現解決了關於節肢動物的頭部起源和組成的長期激烈爭論，節肢動物是世界上動物王國中物種最豐富的群體。節肢動物包括昆蟲、甲殼動物、蜘蛛和其他蛛形綱動物，加上其他一些品系，如千足蟲和蜈蚣。

“從19世紀80年代開始，生物學家注意到節肢動物典型的軀幹的明顯分段外觀，並基本上將其推斷成頭部，”Hirth說。”這就是該領域如何得出頭部是分節的軀幹的前部延伸的結論。但是Cardiodictyon表明早期的頭部不是分段的，它的大腦也不是分段的，這表明大腦和軀幹的神經系統可能是分開進化的。”

Cardiodictyon catenulum的頭部化石（前部在右邊）。品紅色的沉積物標誌著大腦結構的化石。資料來源：Nicholas Strausfeld

大腦確實化石化了

Cardiodictyon由古生物學家侯先光在雲南省發現於一個著名的化石礦床，其柔軟、精緻的身體在化石記錄中保存得很好，但除了Cardiodictyon之外，沒有一個人被仔細檢查過它們的頭部和大腦，這可能是因為它通常很小。Cardiodictyon最突出的部分是一系列三角形、馬鞍形的結構，這些結構界定了每一節，並作為一對腿的連接點。這些在更古老的岩石中被發現，可以追溯到寒武紀的到來。這可能是最早的節肢動物，甚至比三葉蟲還要早，三葉蟲是海洋節肢動物的一個標誌性和多樣化的群體，大約在2.5億年前滅絕了。

“直到最近，人們的普遍理解是’大腦不會變成化石’，”Hirth說。”所以你首先不會期望找到一個保存著大腦的化石。其次，這種動物是如此之小，你甚至難以希望能在其中找到一個大腦。”

然而，過去10年的工作，斯特勞斯菲爾德已經在各種節肢動物化石中發現了幾個保存大腦的案例。

製造大腦的共同遺傳基礎計劃

在他們的新研究中，作者不僅確定了Cardiodictyon的大腦，而且還將其與已知的化石和活的節肢動物，包括蜘蛛和蜈蚣的大腦進行了比較。結合對化石的詳細解剖學研究和對其活體後代的基因表達模式的分析，他們得出結論，從寒武紀到今天，它們一直保持著一個共同的大腦組織藍圖。在Cardiodictyon中，三個腦域分別與一對特徵性的頭部附屬物和前部消化系統的三個部分之一有關。

“通過比較活體物種的已知基因表達模式，我們確定了所有大腦的共同特徵以及它們是如何形成的。我們意識到，每個腦域及其相應的特徵都是由相同的組合基因指定的，無論我們看的是哪個物種，”Hirth補充說。”這表明有一個製造大腦的共同遺傳基礎計劃”。”

對脊椎動物大腦進化的啟示

研究中描述的原則可能適用於節肢動物及其近親以外的其他生物。當把節肢動物的神經系統與脊椎動物的神經系統進行比較時，這具有重要的意義，脊椎動物的神經系統顯示出類似的獨特結構，其中前腦和中腦在遺傳上和發育上與脊髓不同。

施特勞斯菲爾德說，他們的發現還提供了一個信息，即在地球在氣候轉變的影響下正在發生巨大變化的時候，他們的發現具有連續性。

“在重大地質和氣候事件重塑地球的時候，簡單的海洋動物，如Cardiodictyon，產生了世界上最多樣化的生物群–節肢動物，最終傳播到地球上的每一個新興棲息地。”