攀缘的井蛙

【地球演义】第二百八十回 锦鳞记9:谁云涸辙困波臣

题句出自 宋 杨万里《和张器先十绝》


我们简单回顾一下到目前为止【地球演义】介绍过的有颌鱼类四大分支:
盾皮鱼类(Placodermi)开创了“鱼类时代”,但也最早退场;湮灭于泥盆纪末大灭绝。参见:

第一百十九回 盾铠记(上)(⊙ε⊙)

第一百四十九回 盾铠记(中):重甲

第一百五十回 盾铠记(下):双雄

棘鱼类(Acanthodii)自出现就是边缘化的小角色,少数种类一直苟且到二叠纪末。参见:

第一百四十八回 矛戟记:雏形

软骨鱼类(Chondrichthyes):接收了盾皮鱼类腾出的大部分生态位,在石炭纪和二叠纪极为繁盛。但因二叠纪末大灭绝的打击陷入低谷,还在为重新崛起积蓄力量。参见:

第一百五十一回 鲛腾记1:骨

第一百八十一回 鲛腾记2:形

第一百八十二回 鲛腾记3:齿

第二百二十五回 鲛腾记4:轮

第二百二十六回 鲛腾记5:遗

硬骨鱼类(Osteichthyes):包含肉鳍鱼类(Sarcopterygii)和辐鳍鱼类(Actinopterygii)两个分支。参见:

第一百五十二回 锦鳞记1:鱼龙潜跃水成文

第一百五十三回 锦鳞记2:浊水浑鱼每相似 第一百五十四回 锦鳞记3:还记泥中曳尾时

第一百八十回 锦鳞记4:鲂鱼鱍鱍色胜银

第一百八十三回 锦鳞记5:骇浪吞舟脱巨鳞

第二百二十七回 锦鳞记6:金鱼池畔草蒙茸

第二百七十八回  锦鳞记7:江风飞剑鱼喷刀

辐鳍鱼类在二叠纪大灭绝后扶摇直上,它们将会是以后的“锦鳞记”系列的主角。而肉鳍鱼类的戏份就要寒酸得多了。
众所周知,四足动物(Tetrapoda)起源于肉鳍鱼类。肉鳍鱼类中和四足动物亲缘关系最近的四足形类(Tetrapodomorpha)在石炭纪晚期销声匿迹,让位给真正的两栖动物(离片椎类)。但和四足形类亲缘关系较远的腔棘鱼类(Actinistia)和肺鱼类(Dipnoi)一直生存到现代。这一回就介绍一下这对卧龙凤雏,为肉鳍鱼类的故事收个尾。

腔棘鱼类和肺鱼类的化石记录都可以追溯到泥盆纪早期。上图的 Miguashaia bureaui 是最原始的腔棘鱼之一,体长大约40厘米。它的名字取自发现地——加拿大的米瓜莎国家公园(Miguasha NationalPark)。图片来源自[1]

同样在米瓜莎国家公园发现的 Holoptychius jarviki (A)和 Quebecius quebecensis (B)。它们属于孔鳞鱼目 (Porolepiformes),虽然长得像腔棘鱼,但亲缘关系更接近肺鱼,属于广义的肺鱼形态类(Dipnomorpha)。属于图片来源自[1]。

Holoptychius jarviki 模式标本,现存于美国自然历史博物馆(the American Museum of Natural History)。图片来源自[2]。

米瓜莎国家公园还发现了另外两种肺鱼。这是 Scaumenacia curta ,化石保存非常完好,栩栩如生。图片来源自[2]。

这是 Fleurantia denticulate 幼体(上)和成体(下)。图片来源自[3],标尺长度1厘米。

Scaumenacia curta (A)和 Fleurantia denticulate (B)复原图。它们是真正的肺鱼(Dipnoi),形态结构已经和腔棘鱼有了很大区别。图片来源自[4]。

泥盆纪肺鱼的嘴里演化出特殊的齿板(dental plate),用来研磨食物。上图是 Scaumenacia curta 的齿板化石。任谁也不会想到,这个结构竟然被一直沿用了3.6亿年。图片来源自[2]。

俄罗斯发现的泥盆纪晚期肺鱼 Anchidipterus dariae 下颌化石。注意附着在颌骨后端的齿板。在上颌的对应位置也有齿板,上下齿板互相碾压,可以方便地处理荤素软硬各种食物,极大提高了肺鱼的生存能力。图片来源自[5],标尺长度1厘米。
肺鱼的脊柱是脆脆的软骨,颅骨是很多碎骨头片拼成的,至于鳞片和鳍条更容易被弄零散,无论自然死亡腐烂还是被天敌猎杀吞食,短时间内都会被破坏。全身上下就属齿板最坚硬致密,也最容易形成化石。其实大多数史前肺鱼都只发现了齿板,并以此命名。

澳大利亚发现的中泥盆世肺鱼 Harajicadipterus youngi 颅骨,看看有多碎多脆弱。图片来源自[6]。

Harajicadipterus youngi 的齿板(A,B), 脊柱(C,D)和鳞片(E,F)。这种保存状态已经非常难得了。图片来源自[6]。 下面是几种石炭纪肺鱼的齿板化石(图片来源自[7]):

A-B: Ctenoduswilliei ;C: Ctenoduswhitropei ;D: Ctenodusroberti 。标尺长度1厘米。

A: Ballagadus caustrimi ;B: Coccovedus celatus ;C: Ballagadus rossi 。看着像精巧的小贝壳。标尺长度1厘米。

现代澳洲肺鱼 Neoceratodus forsteri 的上下颌和上面的齿板,3展示了上下齿板是怎样咬合。这样的牙口可以嗑螺蛳、啃水草、嘬蠕虫、吃腐肉、咬碎小鱼小虾小青蛙之类也不在话下。图片来源自[8],标尺长度2厘米。
腔棘鱼类在泥盆纪没有什么存在感,肺鱼家族倒是十分风光。然而世事难料,泥盆纪末弗拉期至法门期的一系列生态灾难(参见第一百五十六回 星陨,冰封,海退;第一百五十七回 窒息,乱流,终结)重创了肺鱼的多样性,腔棘鱼类反而没有受到太大影响。冥冥中好像有什么力量硬要把这两个类群拉平似的。

肺鱼类的演化谱系和生存年代。泥盆纪末大灭绝是肺鱼演化史上的最大挫折,可以看到众多早期演化尝试都被强行打断。图片来源自[9]。

对比一下腔棘鱼类的演化谱系和生存年代,泥盆纪末并没有出现明显的断层。图片来源自[10]。
最大的危机会往往会促成最大的转变。泥盆纪的肺鱼基本上都是海洋生物,而石炭纪以后的肺鱼则差不多全都转入淡水生活。它们最大限度地发挥了肉鳍鱼类的优势:强壮的偶鳍和可以呼吸的鱼鳔,去适应浑浊缺氧和经常干涸的水体。但是上升通道已经被四足形类和离片椎类封死,肺鱼无法重演一遍登陆,只能去占据类似“超级大泥鳅”那样的生态位。

肺鱼体型的演变。身体结构逐渐从擅长游泳变成适合在浅水和泥泞里爬行和蠕动。图片来源自[3]。
从石炭纪开始,淡水肺鱼掌握了一项至关重要的技能:在干旱季节钻入地下,结茧休眠。凭着这手绝活儿,肺鱼类得以渡过一次又一次灾变,包括二叠纪末的超级灭绝。

二叠纪到三叠纪硬骨鱼类主要分支的属种丰度变化。A:海洋中;B:淡水中;C:全部生境。腔棘鱼类(红色条带)和肺鱼类(紫色条带)似乎在大灭绝前后表现平稳,并没有受到太大冲击。和其他鱼类的大起大落形成了鲜明对比。图片来源自[11]。

俄罗斯发现的早三叠世奥伦尼克期肺鱼洞穴。曾经有无数肺鱼躲在龟裂的土层下,躲避烈日和炽风,静静等待雨水的到来。图片来源自[12]。

俄罗斯发现的中三叠世安尼期肺鱼洞穴。其实许多两栖生活的动物都曾经采用过这种潜穴休眠的生存策略,比如笠头螈(参见第二百三十回 螈怪),但肺鱼绝对是其中的佼佼者。图片来源自[12]。

由于出类拔萃的休眠能力,“没水能活几年”成了肺鱼最大的噱头。
在肺鱼拼命适应淡水生活时,腔棘鱼也改进了身体结构。到石炭纪,腔棘鱼和肺鱼的基本构型已经确定,以后再也没发生大的改变。

这张示意图虽然略显灵魂,但基本上展示了石炭纪之后的腔棘鱼的结构特征。注意那个奇怪的尾鳍。图片来源见水印。

腔棘鱼的尾鳍在所有鱼类中独树一帜,特称为“Leptocercal fin(上排左二)”,特征是中间有一个独立的小叶,就像在大尾鳍中间插了个小尾鳍。这种结构不适合提供大推力,所以绝大多数腔棘鱼游不快,也不灵活,看上去懒懒的笨笨的。图片来源见水印。

两种早三叠世腔棘鱼 Belemnocerca prolata (上图)和 Laugia groenlandica (下图)的尾部化石,很清楚地展示了这种“大尾鳍中间插个小尾鳍”的结构。图片来源自[13],标尺长度5厘米。

伊利诺伊州发现的石炭纪腔棘鱼 Rhabdoderma exiguum 胚胎化石(A,B)和现代腔棘鱼 Latimeriachalumnae 胚胎(D,E)对比。奇怪的尾鳍也已经成型。图片来源自[3],标尺长度1厘米。
在三叠纪早期,大量空白生态位提供了充足的试错机会,一些腔棘鱼也开始尝试突破祖传的形体和生态位。

Rebellatrix divaricerca ,生活在早三叠世,化石发现于加拿大西部硫磺山组(Sulphur Mountain Formation)地层。图片来源自[14]。

Rebellatrix divaricerca 的尾部结构。虽然还是“大尾鳍中间插小尾鳍”,但上下两叶大幅度延伸扩展,变成类似现代辐鳍鱼的“正型尾(Homocercal)”。这样的形状可以提供强大的推进力。图片来源自[14],A,E标尺长度5厘米;B-D标尺长度1厘米。

在 Rebellatrix divaricerca 身上处处能看到违背祖宗的努力。巨大的叉状尾鳍,还有切合流体力学鱼雷体型,都是适应快速游泳的性状。这是目前发现的唯一朝着提高速度和敏捷性,活跃追捕猎物方向演化的腔棘鱼类。图片来源自[14],标尺长度30厘米。

最大的 Rebellatrix divaricerca 体长超过1米,在三叠纪早期的海洋中属于和龙鱼、比耶鱼争锋的高级掠食者。图片来源自网络。
还有的腔棘鱼反其道而行之,既然速度提不上去,那就弱化运动能力,提升其他属性。

瑞士发现的中三叠世腔棘鱼 Foreyia maxkuhni 化石。它是目前发现的样子最古怪的腔棘鱼。图片来源自[15]。

Foreyia maxkuhni 复原图。它的体长大约20厘米,脑袋、身体和尾巴差不多各占三分之一。头骨隆起形成一个特殊的“角”。这副尊容,很可能是静静地趴在海底装石头,伏击路过的小动物。图片来源自[15]。
腔棘鱼类的演化其实是相当保守的,目前已知的对新体态的尝试相当稀少而且分散:泥盆纪的鳗鱼形 Holopterygius nudus ;石炭纪的鲳鱼形 Allenypterusmontanus ,再就是三叠纪的鳡鱼形 Rebellatrix divaricerca 和躄鱼形 Foreyia maxkuhni 。就只有这么多了。

几种“异形”腔棘鱼在腔棘鱼外形和在演化谱系中的位置。鳗鱼形的 Holopterygiusnudus 和鲳鱼形的 Allenypterus montanus 标反了。图片来源自[15]。
当然,这些演化尝试都很快无疾而终。绝大多数腔棘鱼类终究还是固守“身体发肤”和“祖宗之法”。

云南罗平生物群(中三叠世安尼期)发现的宽泪颧骨罗平空棘鱼 Luopingcoelacanthus eurylacrimalis 。可以看出这是一种身体结构非常“中规中矩”的腔棘鱼。图片来源自[16] ,标尺长度1厘米。

罗平生物群生态复原图。和云贵中国龙龟并肩遨游的就是宽泪颧骨罗平空棘鱼。图片来源见水印。

云南罗平生物群发现另一种腔棘鱼——尖瘤云南空棘鱼 Yunancoelacanthus acrotuberculatus 。图片来源自[16] ,标尺长度1厘米。

马达加斯加下三叠系地层一共发现了四种腔棘鱼,上图是 Whiteia uyenoteruyai 。图片来源自[17]。
肺鱼的情况也差不多,它们在中生代继续扮演“长着后槽牙的超级大泥鳅”。肉鳍鱼类仅存的两个分支,正式加入“活化石”的行列。

德国Lettenkeuper 发现的中三叠世肺鱼化石。b–g: Ptychoceratodus serratus ;h: Ceratodus kaupi ;i–k: Ceratodus 未定种。这里说明一下: Ceratodus (译为“角齿鱼属”)是现代澳洲肺鱼 Neoceratodus forsteri的近亲,从 Neoceratodus (新角齿鱼属)也能看出二者的亲密关系。所以角齿鱼属常常按照澳洲肺鱼的样子(a模型)进行复原。图片来源自[18]。

Lettenkeuper 发现的一块肺鱼未定种 Ceratodontoidei indet. 尾部碎片化石。图片来源自[18]。

格陵兰岛发现的三叠纪晚期角齿鱼 Ceratodus tunuensis 齿板。图片来源自[19],标尺长度1厘米。

印度发现的晚三叠世卡尼期肺鱼 Ptychoceratodus oldhami 齿板。图片来源自[20],标尺长度1厘米。

波兰发现的早中三叠世肺鱼齿板。A-H: Arganodus 属;I-O: Ptychoceratodus 属。图片来源自[20],标尺长度1厘米。

阿根廷发现的白垩纪肺鱼 Ceratodontidae indet 齿板。图片来源自[21],标尺长度1厘米。

全球三叠纪肺鱼化石发现地。虽然在三叠纪这些大陆全都合成一体,但也可以看出肺鱼的分布非常广泛。“超级大泥鳅”的生存能力确实很强。图片来源自[22]。
所有突破基本构型的尝试均告失败后,腔棘鱼和肺鱼不约而同地进行了最后的冒险——大型化。从侏罗纪到白垩纪,地球经历了一段历时1亿3000万年的黄金时代,气候稳定,物产丰饶,孕育出无数巨型物种,其中也有史上最大的腔棘鱼和肺鱼。

法国诺曼底发现的中侏罗世腔棘鱼 Trachymetopon sp .化石,只有一块孤零零的腭方软骨(palatoquadrate,差不多就是在脸上颧骨的位置)。但光是这块骨头的长度就超过40厘米,推测整条鱼全长超过4米。突破来源自[23],标尺长度10厘米。
比 Trachymetopon sp .更大的,还有白垩纪的巨腔棘鱼属 Megalocoelacanthus 和莫森氏鱼属 Mawsonia 。前者体长可达4.5米,而后者更是可以达到6.3米。

堪萨斯州发现的晚白垩世巨腔棘鱼 Megalocoelacanthus dobiei 的部分颅骨,标尺长度10厘米,这也是一条巨鱼。图片来源自[24]。

巨腔棘鱼的头骨拼起来是这样的。这个标本的其他部分基本上都是仿现代矛尾鱼,当作参考吧。图片来源自网络。

莫森氏鱼属的化石分布在南美到北非的广阔地带。上图是乌拉圭发现的晚白垩世(土伦期)巨型莫森氏鱼 Mawsonia gigas 头骨。图片来源自[25]。

巨型莫森氏鱼(A,C)和现代矛尾鱼 Latimeria chalumnae (D)头骨对比。现代矛尾鱼可以长到2米(B图),可以想象一下巨型莫森氏鱼的大小。图片来源自[10]。
肺鱼类也不遑多让,前面说过肺鱼,尤其是很大的个体,很难保留完整化石,但巨大的齿板是它们曾经生存的铁证。

巨型肺鱼 Retodus tuberculatus 的部分齿板化石,标尺长度1.2厘米,体长大约3~4米。这类巨型肺鱼的生存时间很长,从阿尔及利亚(早白垩世)到埃及和尼日尔(晚白垩世)都有化石发现。图片来源自[26] 。

埃及发现的晚白垩世巨型肺鱼 Ceratodus tuberculatus 齿板。 推测鱼体长大约4米。 图片来源自[27],标尺长度5厘米。

怀俄明州发现的晚侏罗世-早白垩世巨型肺鱼齿板。它应该属于某种角齿鱼 Ceratodus ,但种类未定。图片来源自[28]。

根据齿板化石复原的巨型角齿鱼大小。图片来源自[28]。
巨型莫森氏鱼 Mawsonia gigas 生活在河口半咸水区,也能上溯到内陆河湖,它的生存年代和地域与巨型肺鱼 Retodus tuberculatus 和 Ceratodustuberculatus 大体重合。这两类超大型肉鳍鱼应该能经常碰面。但就算长到如此体型,它们仍然难免被更加巨大的怪物吞噬。

和巨型腔棘鱼(5)、巨型肺鱼(6,7)一起游荡在那片梦幻水域的,还有其他大型鱼类,立于食物链顶点的则是17米长的埃及棘龙 Spinosaurus aegyptiacus (10,这个复原图已经过时了)。图片来源自网络。
一颗大陨石终结了那个巨物横行的时代,腔棘鱼和肺鱼的命运也急转直下。白垩纪结束后,腔棘鱼的身影就从化石记录中消失了,研究者一度认为它们已经在6000万年前消失。直到1938年,矛尾鱼 Latimeria chalumnae 神奇出现,举世哗然。之后,又在1999年确定了矛尾鱼属的另一物种:印度尼西亚矛尾鱼 Latimeria menadoensis 。它们是这个古老族裔在世上仅存的血脉。

两种矛尾鱼的分布区域和外形特征。图片来源自网络。
肺鱼的情况也好不了多少,新生代的肺鱼化石极其稀少。现存肺鱼一共3科3属6种,它们是:

澳洲肺鱼科Neoceratodontidae-澳洲肺鱼属 Neoceratodus -澳洲肺鱼 Neoceratodus forsteri 。生活在澳大利亚昆士兰的淡水中,是白垩纪巨型肺鱼的近亲。图片来源自网络。

南美肺鱼科Lepidosirenidae-南美肺鱼属 Lepidosiren -南美肺鱼 Lepidosiren paradoxa 。分布在亚马逊河流域。图片来源见水印。 非洲肺鱼科Protopteridae-非洲肺鱼属 Protopterus ,共4种: 石花肺鱼 Protopterus aethiopicus 东非肺鱼 Protopterus amphibius 纤细肺鱼 Protopterus dolloi 西非肺鱼 Protopterus annectens
广泛分布在非洲大陆,那些“埋在土里活4年”说的就是各种非洲肺鱼。

西非肺鱼外形。图片来源自网络。
上面极其简略地介绍了一下腔棘鱼类和肺鱼类的演化历程。作为教科书级别的“活化石”,它们给人的印象不外乎“原始、低等、不思进取、走向灭亡”之类。不过井蛙倒觉得不必太过悲观,腔棘鱼类和肺鱼类都在地球上生存了4亿年,历经4次大灭绝事件,数十次中小型灭绝事件而延续至今,这已经证明了它们强大的适应能力。它们的结构和习性少有改变,恰恰说明这样的结构和习性足以应对环境的挑战。现代的矛尾鱼生活在远离人类活动的深海,肺鱼则被列为保护动物乃至被驯化为宠物,它们很可能探索到一条从未设想过的生存之路。谁也不知道,这些怪异的古代鱼在未来还会上演怎样绝处逢生、涸鱼得水的好戏。
祝它们好运。
地球名片 生物分类:动物界-脊索动物门-脊椎动物亚门-硬骨鱼纲-肉鳍鱼亚纲-腔棘鱼次亚纲&肺鱼形次亚纲 存在时间:泥盆纪早期 至 现代 现存种类:矛尾鱼2种,肺鱼6种 化石种类:未找到完整统计 生活环境:海洋,淡水 代表特征:具中轴骨的肉质鳍基,鳔演化成原始的肺 代表类群:腔棘鱼目,肺鱼目,孔鳞鱼目

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