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1.24億年前的一次“分手”,讓哺乳動物吃得更香

2019-12-12 科技日报 陆成宽
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李氏源掠獸模式CT-重建毛方園供圖

  這是一個哺乳動物進化出靈敏聽覺和高效咀嚼的故事。

  近日,《科学》杂志在线发表了一项关于1.24亿年前基干兽类李氏源掠兽的听觉和咀嚼器官演化的研究成果。来自中國科學院古脊椎动物与古人类研究所等单位的研究人员发现,曾经一体化的听觉和咀嚼器官,为了适应自然选择,提高听觉和咀嚼的效率,两个模块逐渐分离。新发现的李氏源掠兽化石完好地展现了两个模块在基干兽类中演化分离节点的表型特征;分离的听觉和咀嚼器官,使得哺乳动物的听觉更加灵敏、咀嚼更加高效。

  大量研究表明聽骨和齒後骨具有同源關系

  模塊演化是演化生物學和發育生物學相結合的一個概念。生物體可在不同層次上分解爲小的形態、發育或功能單元;它們在發育和基因調控上相對獨立,在演化中可具不同變異速率,並且能夠在不影響其他模塊形態功能的情況下,獨立地接受自然選擇的作用。比如,脊椎動物的前肢就是一個同源模塊演化的例子,可以進化成翅膀、鳍或人類的手,但並不影響其他部分,如後肢的形態及功能。

  哺乳動物下颌和聽骨是一個特別的模塊演化例子。它的獨特性在于,該演化兼具同源模塊的多樣化和功能特異化等特性,且從一個複合形態功能一體化的複雜結構,逐步演化成兩個形態和功能完全獨立的器官模塊。

  事實上,形態解剖學、發育生物學、遺傳學的大量研究已經表明,哺乳動物的聽骨和爬行動物的齒骨後骨具有同源關系。近年來的研究,更進一步表明,這些骨骼在各個類群的早期發育過程中,受到相同基因機制的調控;這些機制,甚至可以追溯到魚類下颌的發育。

  爲中耳演化過渡模式提供證據

  研究人员基于早白垩热河生物群(陆家屯层)中三维立体保存的六件标本,利用显微断层扫描(CT)和三维立体重建等方法,建立了一个对齿兽的新属种:李氏源掠兽。“取这个名字,是为了纪念文章的作者之一,于今年10月逝世的中国早期哺乳动物研究奠基人之一李传夔研究员。”論文第一作者、中國科學院古脊椎动物与古人类研究所博士毛方园说道。

  研究表明,李氏源掠獸在咬合咀嚼過程中,下颌除了開合運動,也具有橫向移動和沿長軸方向的轉動。這種下颌咀嚼時的多向運動過程,很可能是導致獸類中耳聽骨與齒骨、麥氏軟骨脫離的選擇壓力之一。

  近20年中國遼西地區發現的中生代哺乳動物中,爬獸等的骨化麥氏軟骨、遼尖齒獸等的聽骨,提供了從下颌中耳到典型哺乳動物中耳之間演化過渡模式的證據。

  然而,在過渡型中耳中,聽骨雖然脫離了齒骨,但仍與骨化的麥氏軟骨緊密絞合,後者與齒骨相連;因此,聽覺和咀嚼的功能尚未完全分開,相互還有影響。

  首次展示聽覺與咀嚼模塊分離的關鍵節點

  “但是,李氏源掠獸的多件標本首次展示一個關鍵特征,即聽骨與麥氏軟骨之間無骨質連接,這意味著聽覺與咀嚼器官完全分離,代表了哺乳動物演化中聽覺與咀嚼模塊分離的關鍵節點。”毛方園說,這一發現彌合了過渡型中耳和典型哺乳動物中耳在演化過程中表型特征的空缺,在系統發育和特征演化上,代表了基幹獸類中更爲進步的一個演化階段。

  從形態功能上看,分離的聽覺和咀嚼模塊,消除了兩者之間互相幹擾的物理制約因素,增加了兩個模塊演化和多向適應的可能性;聽覺器官具備了向高靈敏度高頻聽力發展的潛力,咀嚼器官也獲得了牙齒和咬合方式多樣性演化以攝取不同食物的可能性。

  毛方園表示,現生哺乳動物大約有6500種,其中僅有5種是産卵的單孔類,比如鴨嘴獸,分布于澳洲;其它哺乳動物屬于獸類,包括有袋類379種,比如澳洲袋鼠,以及6111種有胎盤類哺乳動物,包括我們人類。因此,哺乳動物的多樣性,基本上就是在說獸類。獸類今天在地球生態系統中的成功,和它們祖先的各種演化實驗分不開。而聽覺和咀嚼模塊的分離,應該是基幹獸類演化成功部分的一個例子。

打印 責任編輯:侯茜

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