三叶虫的四肢在史前海洋中展现出独特的行走和挖洞能力 _三叶虫

选定三叶虫肢体附着和姿势的形态重建。a Olenoides serratus（伯吉斯页岩;寒武纪）的重建。b Triarthrus eatoni（比彻三叶虫床;奥陶纪）的重建。c Ceraurus pleurexanthemus（沃尔科特锈采石场;奥陶纪）的重建。d Chotecops sp.（Hunsrück 板岩;泥盆纪）的重建。e Redlichia rex 的重建（鸸鹋湾页岩;寒武纪）。图片来源：《BMC生物学》
据哈佛大学：不列颠哥伦比亚省的伯吉斯页岩以其对化石中软组织的卓越保存而闻名，包括四肢和内脏。虽然三叶虫因其坚硬的外骨骼而在化石记录中大量存在，但它们柔软的四肢很少被保存下来，人们对它们的了解也很少。然而， Olenoides serratus是一种特别丰富且保存完好的伯吉斯页岩三叶虫，为研究这些附属物提供了独特的机会。
在《BMC生物学》发表的一项新研究中，由哈佛大学生物与进化生物学系（OEB）博士后Sarah Losso领导的研究人员分析了28个O. serratus化石标本中的156条肢体，以重建这些古老节肢动物附肢的精确运动和功能，从而揭示了地球上最早、最成功的动物之一。
洛索说：“了解化石的行为和运动是具有挑战性的，因为你无法像在活体动物身上那样观察到这种活动。” 。“相反，我们必须依靠仔细检查尽可能多的标本的形态，并使用现代类似物来了解这些古代动物是如何生活的。”
节肢动物的腿由多个节段组成，可以向上（伸展）或向下（弯曲）。运动范围取决于每个关节在两个方向上能达到的距离之间的差异。这个范围，以及每个部分的腿和形状，决定了动物如何使用肢体行走、抓取和挖洞。
马蹄蟹是北美东海岸常见的节肢动物，尽管它们没有密切关系，但经常被比作三叶虫。马蹄蟹属于节肢动物树的不同分支，与蜘蛛和蝎子关系更密切，而三叶虫的家族关系尚不确定。这种比较是由于两种动物在海底用关节腿巡逻的相似性。然而，结果显示这两种动物之间的相似性较小。
与马蹄蟹不同，马蹄蟹的肢体关节在弯曲和伸展的专业化过程中交替出现——这种模式既有利于进食，也有利于保护。锯齿肌展示了一种更简单但功能强大的肢体设计。

来自伯吉斯页岩的三叶虫Olenoides serratus 。图片来源：《BMC生物学》
洛索解释说：“我们发现锯齿状O.的四肢伸展范围较小，仅在离身体较远的部分。” 。尽管它们的四肢使用方式与马蹄蟹不同，但Olenoides可以行走、挖洞、把食物带到嘴里，甚至把身体抬到海底以上。
为了将他们的发现变为现实，该团队基于数百张从不同角度保存的化石图像创建了复杂的3D数字模型。因为三叶虫的四肢化石通常被压扁，所以在三维空间中重建它们是一个挑战。
同样在 OEB 的资深作者 Javier Ortega-Hernández 教授说：“我们依靠保存得非常完好的标本，从多个角度比较肢体保存情况，并使用相关化石填补缺失的细节。”
研究小组将遗迹化石的形状与四肢的运动进行了比较。
洛索解释说：“Olenoides serratus可以通过不同的运动创造不同深度的痕迹化石。” 。“它们可以将身体抬到沉积物之上，以便越过障碍物或在湍急的水中更有效地移动。”
令人惊讶的是，研究人员发现，雄性物种也有专门用于交配的附肢，每条腿也有一个用于呼吸的鳃。
虽然已经描述了22000多种三叶虫，但只有不到0.2%的三叶虫有腿的痕迹。然而，缺乏保存并不意味着这些古老的节肢动物没有腿，相反，它们柔软的四肢很少在石化过程中幸存下来。伯吉斯页岩的罕见条件——水下山体滑坡切断氧气的快速埋藏——是捕捉这种稍纵即逝的生物细节的关键。
这项研究为了解五亿多年前更动态的生命图景提供了一个难得的窗口，因为像 Olenoides serratus 这样的三叶虫在海底穿梭，拥有复杂的四肢，可以在史前海洋中挖洞和觅食，不仅揭示了它们是如何生存的，而且揭示了它们是如何茁壮成长的。