摘要：任何曾经通过牙齿清洁的人都知道牙齿有多么敏感。这种敏感性提供了有关我们咬合和咀嚼时的温度、压力和疼痛的重要反馈。然而，硬牙釉质内的敏感组织最初是为了一个非常不同的目的而进化的。

早期无颌脊椎动物 Astraspis 在黑暗的浅水中被海蝎 Megalograptus 攻击的感觉外骨骼的艺术渲染。图片来源：Brian Engh

新的化石研究表明，牙齿最初是作为嵌入古代鱼类装甲外骨骼的感觉组织进化而来的。

任何曾经通过牙齿清洁的人都知道牙齿有多么敏感。这种敏感性提供了有关我们咬合和咀嚼时的温度、压力和疼痛的重要反馈。然而，硬牙釉质内的敏感组织最初是为了一个非常不同的目的而进化的。

芝加哥大学的新研究表明，牙本质——将感觉信息传递到牙髓神经的牙齿内层——最初是作为古代鱼类装甲外骨骼的感觉组织进化而来的。

古生物学家长期以来一直认为，牙齿是从这种盔甲上发现的凹凸不平的结构进化而来的，但这些结构的用途尚不清楚。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早期脊椎动物的这些特征含有牙本质，可能有助于动物检测周围水域的状况。

古代脊椎动物（上排）、古代节肢动物（中排）和现代节肢动物（下排）的外骨骼上都有收敛结构，这些结构与神经相连，使动物能够感知环境。图片来源：Alex Boersma

研究还显示，先前在寒武纪时期（485 至 5.4 亿年前）的化石中被鉴定为牙齿的结构与无脊椎动物化石盔甲的特征以及在螃蟹和虾等现代节肢动物的外壳中发现的感觉器官非常相似。

这些相似之处表明，脊椎动物和无脊椎动物盔甲中的感觉器官都是独立进化的，以帮助动物感知环境。

“当你想到像这样的早期动物，穿着盔甲四处游动时，它需要感知世界。这是一个非常激烈的掠食性环境，能够感知周围水的特性非常重要，”芝加哥大学生物生物学和解剖学罗伯特 R. 本斯利杰出服务教授、这项新研究的资深作者 Neil Shubin 博士说。“所以，在这里我们看到，像马蹄蟹这样有盔甲的无脊椎动物也需要感知世界，而它们恰好遇到了相同的解决方案。”

Yara Haridy 和 Neil Shubin 在《自然》杂志上讨论了他们关于脊椎动物敏感牙齿起源的新研究。图片来源：Julian Romano

领导这项研究的舒宾实验室的博士后研究员 Yara Haridy 博士并没有着手调查牙齿的起源。相反，她专注于回答古生物学中另一个长期存在的问题：化石记录中最早的脊椎动物是什么？

为了探索这一点，Haridy 联系了全国各地的博物馆，要求提供寒武纪时期（485 至 5.4 亿年前）的化石标本，以便她可以对其进行 CT 扫描，以寻找表明脊椎动物特征的迹象。

牙齿的 CT 扫描图像，就像猫鲨上的真皮齿状物。这些牙齿状结构与神经系统相连，表明它们会产生感觉。图片来源：Yara Haridy

其中一个迹象，至少在后来的鱼类中，是外部盔甲上的凸起内存在牙本质，称为齿状体。Haridy 收集了数百个标本，其中一些只是可以放在牙签末端的微小碎片。

然后，她带他们去阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory），使用高级光子源（Advanced Photon Source）进行了通宵扫描，该源捕获了化石的极高分辨率 CT 图像。“那是在粒子加速器度过的夜晚;那很有趣，”Haridy 说。

吸口鲶鱼的齿状齿状齿状结构的分段共聚焦扫描，显示神经（绿色）允许将感觉信息从齿状齿状传递到神经系统。图片来源：Yara Haridy

当他们开始看到扫描图像时，来自一个名为 Anatolepis 的寒武纪化石的一个样本看起来显示出脊椎动物的特征。它有一系列的小管，或齿状体下方的孔隙，充满了具有牙本质化学特征的材料。如果它真的是脊椎动物，这个标本会将化石记录向前延长数千万年。

“我们互相击掌，就像'天哪，我们终于做到了'，”哈里迪说。“那将是寒武纪脊椎动物组织中的第一个牙齿状结构。所以，当我们看到看起来像牙本质的迹象时，我们非常兴奋。

当然，他们必须确认这一点，因此他们开始分析 Haridy 扫描的其他标本的图像。这个贝壳和骨骼库包括从其他古代化石到现代螃蟹、蜗牛、甲虫、藤壶、鲨鱼和鳐鱼，以及 Haridy 在水族馆中自己饲养的微型吸盘口鲶鱼。

Astrapsis 的齿状齿状齿状结构的 CT 扫描，Astrapsis 是一种古老的无颌脊椎动物。小管（以绿色显示）填充有牙本质，这种材料与构成现代牙齿敏感内层的材料相同。红色是血管系统，它本来是生命中容纳神经的，允许感觉传递。图片来源：Yara Haridy

一旦他们将可能的脊椎动物 Anatolepis 与密尔沃基公共博物馆的已知节肢动物化石进行比较，他们意识到看起来像脊椎动物的牙本质衬里的小管更像是螃蟹壳上的感觉器官，称为感器。

这意味着 1996 年在《自然》杂志上声称是脊椎动物的 Anatolepis 是一种古老的无脊椎动物节肢动物。另一种名为 Eriptychius 的奥陶纪脊椎动物的大小管在结构上与这些感器相似，但确实含有牙本质。

溜冰鞋前部的 CT 扫描，显示其皮肤上坚硬的牙齿状齿状（以橙色显示）。图片来源：Yara Haridy

“这向我们表明，即使'牙齿'不在嘴里，它们也可以是感觉的，”哈里迪说。“所以，这些鱼有敏感的盔甲。这些节肢动物有敏感的盔甲。这解释了与这些早期寒武纪动物的混淆。人们认为这是最早的脊椎动物，但实际上是节肢动物。

鲨鱼、鳐鱼和鲶鱼也有称为齿状结构的牙齿状结构，使它们的皮肤感觉像砂纸。当 Haridy 研究她的鲶鱼的组织时，她发现齿状物与神经相连，就像牙齿一样。她说，与牙齿、盔甲鱼的古老齿形和节肢动物的感器的相似之处令人震惊。

“我们认为最早的脊椎动物，这些大型盔甲鱼，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个矿化层，覆盖它们的软组织并帮助它们感知环境，“她说。

对整条竹鲨进行 CT 扫描，显示其皮肤上坚硬的牙齿状齿状（以红色显示）。信用：Yara Haridy

关于这些结构最终如何变成牙齿，有两种观点。一种是“由内而外”的假说，认为牙齿首先出现，后来适应了外骨骼。本文将支持第二个“由外而内”的假说，即敏感结构首先在外骨骼上发育，在某些时候，动物也利用相同的遗传工具包来产生敏感的牙齿。

虽然他们没有确定最早的脊椎动物鱼类，但 Shubin 表示，这一发现非常值得付出努力。

“对于其中一些被推定为早期脊椎动物的化石，我们证明它们不是。但这有点误导，”舒宾说。“我们没有找到最早的那个，但在某些方面，我们发现了一些更酷的东西。”

参考资料：Yara Haridy、Sam C. P. Norris、Matteo Fabbri、Karma Nanglu、Neelima Sharma、James F. Miller、Mark Rivers、Patrick La Riviere、Phillip Vargas、Javier Ortega-Hernández 和 Neil H. Shubin，2025 年 5 月 21 日，《自然》。
DOI：10.1038/s41586-025-08944-w

资金： 美国国家科学基金会、美国能源部/美国能源部、布林森基金会

来源：人工智能学家