圖①：約5.18億年前昆明魚類復原圖。
　　叢培允供圖
　　圖②：鬆果體眼在魚形脊椎動物中的演化示意圖。
　　張思航供圖

昆明魚類標本照。
　　雷向通攝

千百年來，人類一直在追問“我們從哪裡來”。在物種演化的歷史長河中，有諸多意想不到的奧秘藏在化石之中。我國科學家通過對約5.18億年前昆明魚類化石的研究，發現早期脊椎動物竟擁有4隻具備成像功能的“相機型眼”，為理解視覺系統的演化及脊椎動物的起源提供了全新視角。

本期“院士講科普”，我們邀請中國科學院院士徐星，講述早期脊椎動物視覺系統的獨特之處，感受生命演化的智慧。

——編 者

脊椎動物主要包括魚類、兩棲類、爬行類、鳥類和哺乳類。對於現生脊椎動物來說，它們的視覺主要依靠結構精細的一對“相機型眼”完成，這是辨識外界環境、協調行為，順利開展覓食、繁衍等生命活動最重要的感知系統之一。自達爾文時代以來，脊椎動物眼睛的起源和演化就一直吸引著科學家的關注。

我國科學家以翔實的形態學與化石分子信號証據揭示：距今約5.18億年的昆明魚類，其鬆果體復合體（鬆果體和副鬆果體的統稱）是額外的兩隻具備完整成像功能的“相機型眼”。該研究成果歷時12年，於今年在國際學術期刊《自然》上在線發表。這為理解脊椎動物視覺系統的演化，以及寒武紀大爆發時期動物門類之間激烈的“軍備競賽”提供了新的視角。

脊椎動物的鬆果體復合體，可能源於“第三隻眼”

現生脊椎動物的視覺，主要來源於頭部兩側一對精密的“相機型眼”，由球形晶狀體、視網膜、虹膜和一組眼外肌組成。所謂“相機型眼”，是指晶狀體將光線聚焦到半球形視網膜上，產生視覺信號，並通過視神經傳遞至大腦，其成像原理與相機相同。

在人類等哺乳動物的大腦中，有一個內分泌器官叫作“鬆果體”，主要承擔合成並分泌褪黑素、調整晝夜節律等功能。但是，在魚類、兩棲類、爬行類等非哺乳類脊椎動物中，鬆果體和副鬆果體也具有簡單的感光功能，一些蜥蜴還擁有鬆果體復合體演化而來的頂眼。因此，科學界存在脊椎動物的“第三隻眼”假說，即鬆果體復合體的“祖先”可能是具有視覺功能的眼睛。現有的胚胎學証據也表明，脊椎動物的側眼與鬆果體復合體均發育自相同的胚胎組織間腦，預示二者可能具有相同起源。

但近百年來，眼睛與鬆果體復合體之間的轉化過程一直缺少關鍵証據，成為演化生物學領域懸而未決的重要科學問題。此外，脊椎動物在演化初期究竟用怎樣的“眼睛”觀察世界，也是探索寒武紀大爆發時期脊椎動物行為學與生態適應的關鍵盲點。

為尋求答案，我們團隊聯合雲南大學古生物研究院研究員叢培允團隊，對澄江生物群中發現的目前已知最早的脊椎動物——距今約5.18億年的昆明魚類新標本展開了多技術手段分析。

約5.18億年前的昆明魚類，長著“相機型眼”

觀察昆明魚類化石標本，可以發現其側眼中間存在一對較小的黑色圓形結構。但如何確定側眼及這對圓形結構是“相機型眼”？我們找到了兩部分關鍵証據。

首先，團隊通過能量色散X射線能譜、X射線光電子能譜和拉曼光譜等分析化石標本，確認昆明魚類的這對黑色圓形結構以有機碳膜的形式保存。利用掃描電子顯微鏡等設備，將碳質區域放大10萬倍，發現這些碳膜主要由大小為200納米—1200納米的橢圓形至長柱形微球體組成。

對比發現，這些微球體的形態、大小，與現生脊椎動物視網膜中的黑素體特征完全一致。現生脊椎動物眼球的各層膜中，同時存在卵形和圓柱形兩種黑素體，正是脊椎動物典型視網膜色素上皮中黑素體的組合特征。研究還用雙束電鏡與透射電鏡聯用技術對微球體的超顯微結構進行成像，發現這些微球體與黑素體具有類似的圈層結構。

從形態學的角度，我們找到了昆明魚類側眼可能存在視網膜的証據。但那些黑素體，有沒有可能僅是細菌污染或其他有機質團塊？

為了証實這些微球體與“眼睛”有關，團隊使用高靈敏度的飛行時間二次離子質譜儀對有機碳膜的成分進行了分析，結果顯示昆明魚類化石中微球體樣品的分子指紋與現生蛙類眼睛中的黑色素信號非常類似，且昆明魚類的化石樣品與其他潛在污染源樣品不重合。這從化石化學分子信號層面証實，昆明魚類側眼和中間體中的微球體為視網膜中富含黑色素的黑素體。

另一個確認“相機型眼”的証據，是晶狀體的發現。在昆明魚類化石的側眼及其中間的黑色圓形結構中，存在規則的、邊緣清晰的圓形結構，該結構或保存為浮雕印痕，或表現為碳質差異富集區域。利用低角度光成像、掃描電鏡、熒光顯微鏡等技術，研究者確認這一結構的形狀、大小和相對位置，都與顯生宙其他脊椎動物眼睛化石中保存的晶狀體一致。

基於以上証據，我們判斷，昆明魚類側眼之間的黑色結構為鬆果體眼，保存了富含黑素體的視網膜和晶狀體，可能是具有成像功能的“相機型眼”。

研究脊椎動物的起源，讓生命演化的拼圖更完整

科學研究，總能發現“意外的驚喜”。在探索化石中如何保存神經組織的過程中，我們發現，脊椎動物的始祖原來有4隻“眼睛”。這麼多“眼睛”，有啥用？

想揭開這個謎底，我們需要關注寒武紀大爆發時期的地質背景。這一時代的重要特征是快速的環境變化和大量形態創新。其中，捕食關系的出現是推動動物感官系統演化的重要生態驅動力。

要知道，跟昆明魚類同時代生活的大型捕食者，有體型超過1米的奇蝦等動物，而昆明魚類的長度通常隻有2至3厘米，無論體型還是防御都處於劣勢。4隻“相機型眼”構成的復雜視覺系統，更利於應對生存壓力。

而在后續演化中，尤其在向有頜類脊椎動物演化的過程中，早期脊椎動物鬆果體復合體的視覺功能逐漸退化，轉變為調節晝夜節律的神經內分泌系統，即現代脊椎動物中的鬆果體。

這項研究對理解脊椎動物的起源具有重要意義。在5億多年前，早期脊椎動物很可能已經存在現生脊椎動物類似的視覺生理結構。這也預示著，脊椎動物在澄江生物群出現之前，已經經歷了復雜的演化過程，但目前這段演化歷程仍處在未知狀態。人類要回答“我們從哪裡來”的問題，還需要開展更深入的研究。

我國脊椎動物化石資源非常豐富，從1929年北京周口店北京人頭蓋骨化石的發現，到近年來帶羽毛恐龍化石的發現，經過幾代人的堅持，我國學者為復原生命演化歷史提供了大量重要數據，古生物學研究取得一個又一個重大突破。

隨著技術的進步，CT、同步輻射等先進的成像手段，為獲取更多化石內部信息提供了便利。未來，我們將通過學科交叉融合研究，努力把生命演化的拼圖拼得更完整。

（作者為中國科學院院士、中國科學院古脊椎動物與古人類研究所所長、雲南大學古生物研究院學術院長，本報記者張馳採訪整理）

《 人民日報 》（ 2026年06月06日 06 版）