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芝加哥大学的一项新研究表明，牙本质，即牙齿的内层，负责将感觉信息传递到牙髓内的神经，最初是作为古代鱼类装甲外骨骼中的感觉组织进化而来的。
任何经历过洗牙痛苦的人都能体会到牙齿有多敏感。这种敏感会在我们咬和咀嚼食物时提供关于温度、压力，当然还有疼痛的重要反馈。然而，坚硬的牙釉质内部的敏感部位最初是为了某种截然不同的东西而进化的。
芝加哥大学的一项新研究表明，牙本质，即牙齿的内层，负责将感觉信息传递到牙髓内的神经，最初是作为古代鱼类装甲外骨骼中的感觉组织进化而来的。
古生物学家长期以来一直认为，牙齿是由这些盔甲上的凹凸结构进化而来的，但它们的用途并不清楚。本周发表在《自然》杂志上的一项新研究证实，大约4.65亿年前奥陶纪时期的一种早期脊椎动物鱼类的这些结构含有牙本质，很可能帮助这种生物感知周围水体的状态。
研究还表明，寒武纪（4.85亿至5.4亿年前）化石中被认为是牙齿的结构与化石无脊椎动物的盔甲特征相似，也与螃蟹和虾等现代节肢动物壳中的感觉器官相似。这些相似之处意味着，不同动物盔甲中的感觉器官在脊椎动物和无脊椎动物中是分别进化的，以帮助它们感知周围更广阔的世界。
“想想看，像这样一种早期动物，身披铠甲游来游去，它需要感知世界。那是一个相当激烈的捕食环境，能够感知周围水体的特性至关重要，”芝加哥大学罗伯特·R·本斯利杰出服务教授、这项新研究的资深作者尼尔·舒宾博士说道。“所以，我们发现，像鲎这样身披铠甲的无脊椎动物也需要感知世界，而它们恰好找到了同样的解决方案。”
粒子加速器之夜
领导这项研究的舒宾实验室博士后研究员雅拉·哈里迪（Yara Haridy）博士在启动这个项目时，并非是为了探究牙齿的起源。相反，她希望解答另一个长期存在的古生物学问题：化石记录中最早的脊椎动物是什么？哈里迪向全国各地的博物馆索要寒武纪（4.85亿至5.4亿年前）的化石样本，以便对它们进行CT扫描，寻找脊椎动物特征的蛛丝马迹。
其中一个迹象，至少在后期鱼类中是如此，就是在外甲（称为齿状突）的凸起内存在牙本质。Haridy收集了数百个样本，有些只是可以放在牙签末端的微小碎片。然后，她将它们带到阿贡国家实验室，使用先进光子源进行了一整夜的扫描，该设备捕捉到了化石的极高分辨率CT图像。“那就像在粒子加速器上度过的一夜；真是太有趣了，”Haridy说。
当他们开始查看扫描图像时，发现一块来自寒武纪化石样本，名为“阿纳托利皮斯”（Anatolepis），看起来像是展现了脊椎动物鱼类的特征。它有一系列小管，也就是齿状体下方的孔隙，充满了带有牙本质化学特征的物质。如果它真的是脊椎动物，那么这个标本将把化石记录的年代向前推数千万年。
“我们互相击掌庆祝，就像‘天哪，我们终于成功了’，”哈里迪说。“那可能是寒武纪脊椎动物组织中第一个类似牙齿的结构。所以，当我们看到类似牙本质的迹象时，我们非常兴奋。”
当然，他们必须证实这一点，于是开始分析哈丽迪扫描的其他标本图像。这个贝壳和骨骼库囊括了从其他古代化石到现代螃蟹、蜗牛、甲虫、藤壶、鲨鱼和鳐鱼等各种生物，甚至还有哈丽迪自己在水族箱里养的迷你吸口鲶鱼。
他们将疑似脊椎动物的安纳托利皮斯（Anatolepis）与密尔沃基公共博物馆中已知的节肢动物化石进行了比较，发现那些看起来像脊椎动物的牙本质内衬小管，更像是螃蟹壳上的感觉器官，即感器。这意味着， 1996年《自然》杂志声称安纳托利皮斯（Anatolepis ）是脊椎动物，但它实际上是一种古老的无脊椎节肢动物。另一种奥陶纪脊椎动物——埃里普蒂奇斯（Eriptychius） ——的大型小管结构与这些感器相似，但确实含有牙本质。
“这表明，即使‘牙齿’不在口腔中，它们也能感知外界，”哈里迪说。“所以，这些鱼身上有敏感的盔甲。这些节肢动物身上也有敏感的盔甲。这解释了它们与这些早期寒武纪动物的混淆。人们以为这是最早的脊椎动物，但实际上它是一种节肢动物。”
散布在化石记录中的类似牙齿的结构
鲨鱼、鳐鱼和鲶鱼也拥有类似牙齿的结构，称为齿状小体，使它们的皮肤摸起来像砂纸一样。当哈里迪研究鲶鱼的组织时，她发现这些齿状小体与神经相连，就像牙齿一样。她说，这些齿状小体与牙齿、古代装甲鱼的齿状小体以及节肢动物的感器有着惊人的相似之处。
“我们认为最早的脊椎动物，这些大型的铠甲鱼类，至少在形态上具有非常相似的结构。它们在古代和现代节肢动物中看起来一样，因为它们都在形成这种覆盖软组织的矿化层，帮助它们感知环境，”她说。
关于这些结构最终如何演变成牙齿，目前有两种学派。一种是“由内而外”假说，认为牙齿先出现，后来才适应外骨骼。本文将支持第二种“由外而内”假说，该假说认为敏感结构首先在外骨骼上发育，并且在某个时期，动物也利用相同的基因工具产生了敏感的牙齿。
尽管他们没有确定最早的脊椎动物鱼，但舒宾说这一发现非常值得付出努力。
“对于一些被推定为早期脊椎动物的化石，我们证明了它们并非如此。但这有点误导，”舒宾说。“我们没有找到最早的化石，但从某种程度上来说，我们发现了一些更酷的东西。”
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