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周长付教授为首的国际合作团队在《科学》上发表论文

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作者:唐凤 廖洋 来源: 中国科学报 发布时间:2019/7/23 9:28:49
选择字号:小 中 大 新化石揭示哺乳动物复杂舌骨进化

似叉骨祖翼兽复原图 赵闯绘

  7月19日,美国《科学》(Science)杂志以《新的侏罗纪哺乳型动物揭示了哺乳动物舌骨的早期演化》为题发表了我校地科学院教授周长付为首的国际合作团队的最新研究成果。该成果是基于在我国内蒙古宁城五化地区距今约1.64亿年的侏罗纪地层中发现了一个新的哺乳型动物化石–“微小柱齿兽”(Microdocodon),由周长付与国际著名古哺乳动物学家芝加哥大学罗哲西教授、波恩大学托马斯·马丁教授和耶鲁大学安詹·布拉尔博士等共同合作完成。

■本报记者 唐凤 廖洋

■本报记者 胡珉琦

  中生代哺乳型动物化石(Mammaliaforms)是现代哺乳动物的近亲类群,其新化石发现可以为追溯哺乳动物的起源和早期演化的提供最直接证据。所以,中生代哺乳动物化石的研究是古生物学和生命演化研究的热点。“微小柱齿兽”属于原始哺乳型动物中的柱齿兽类支系(Docodonta)。它的精美化石保存了与现代哺乳动物同样的舌骨构造。这一舌骨构造由甲状舌骨、基舌骨、角舌骨和上舌骨组成,其特征非常独特:骨节之间有活动关节,结构呈鞍状,区别于更原始的犬齿兽和现代爬行动物的简单棒状结构。现代哺乳动物的鞍状的舌骨构造是咽咙的框架,对食物传输和吞咽中有关键作用。微小柱齿兽的新发现表明:现代哺乳动物的舌骨构造起源并传承于更为原始的哺乳型动物,出现于哺乳型动物获得咀嚼能力的最早期阶段。

这块1.64亿年前的化石,是一只微小柱齿兽的最后记录。它是一种类似鼩鼱的微小哺乳型动物,也是动物进化出现代舌骨的最早例子。

在现代哺乳动物中有一种比较特别的类型,它们能在空中滑翔,比如中国的特有物种复齿鼯鼠、东南亚的鼯猴、澳洲的有袋飞鼠,这在哺乳动物演化历史上是最为特异的演化适应特征之一,那么,这种特征最早又是出现在什么时候?

  新发现的“微小柱齿兽”化石保存精美,体长约14.7公分,体重约5-9克,是我国发现的体型最小的柱齿兽类化石。它的臼齿形态复杂,齿尖和齿脊发育,上臼齿横宽,下臼齿具假跟座,有食虫性兼具杂食性特点。下颌式中耳、T型间锁骨和带状肩胛骨等特征,是哺乳型动物的特点。“微小柱齿兽”骨骼轻盈,肢骨长而纤细,尺桡骨长于肱骨,胫腓骨长于股骨,与其它树栖哺乳动物相似。“微小柱齿兽”的尾巴很长,超过体长的一半,适于树栖攀援活动的平衡作用。

现在哺乳动物已经十分多样化,能通过不同方式咀嚼食物,但它们都以同样的方式咽下食物。该研究资深作者、美国芝加哥大学解剖学和生物学教授罗哲西说,而从本质上讲,哺乳动物咀嚼和吞咽的特殊方式都是由灵活的舌骨实现的。

由北京自然博物馆、美国芝加哥大学和河北地质大学组成的国际合作团队,在距今约1.6亿年的晚侏罗世地层中,发现了两种最原始的滑翔哺乳型动物化石,它们和现代滑翔哺乳动物的演化如出一辙。

柱齿兽类是中生代时期北方大陆分布较广的一个哺乳型动物支系。过去化石发现多以牙齿或齿列保存。近十多年来,在我国东北部地区(包括内蒙古东南部、辽宁西部和河北北部)的侏罗纪燕辽生物群中发现了一些保存精美的骨架化石,呈现出一个分异度较高的柱齿兽生态类群,包括:半水生游泳的狸尾兽(Castorocauda),掘穴生活的挖掘柱齿兽(Docofossor),以及树栖生活的伶巧柱齿兽(Agilodocodon)。“微小柱齿兽”的发现不仅表明了柱齿兽类对树栖生活适应的多样性,也加大了该类群在体型上的分异。例如,微小柱齿兽的体重仅为狸尾兽的2%,伶巧柱齿兽的15-25%;挖掘柱齿兽的50%。这些突破性的发现为我们探究中生代时期早期哺乳动物演化提供了重要契机。 

由山东科技大学地球科学与工程学院教授周长付牵头,中国、美国、德国科学家组成的国际合作课题组经过6年研究,最终证实在我国内蒙古宁城五化地区发现的化石中的侏罗纪微小柱齿兽,具有与现生哺乳动物同样的舌骨构造。该化石也是迄今最早具有完整舌骨的原始哺乳动物化石。相关论文7月19日刊登于《科学》。

这个发现对演化生物学来说意义重大。现代滑翔哺乳动物一般性的演化模式实际上在远古哺乳动物的远亲中就已经存在,所谓的特异其实一点也不稀奇。

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这个发现证明我们的每次吞咽都和1.64亿年前有关。周长付告诉《中国科学报》,哺乳动物舌骨出现于哺乳型动物获得咀嚼能力的最早期阶段。

最原始的滑翔动物

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不同寻常的美丽化石

三年前,北京自然博物馆、美国芝加哥大学和河北地质大学组成的国际合作团队到化石产地辽宁省建昌县和河北省青龙县调研时,发现了几块还处于原始埋藏状态的化石,因为尚未经过修复,无法看到骨骼细节,科研人员只能判断是兽类。

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舌骨连接口腔后部,守卫着食道和喉部的大门。包括人类在内的现代哺乳动物的舌骨呈U形排列,类似马鞍,对食物精细咀嚼和吞咽起关键作用。

当这些化石经过了精心修复,他们才找到了一个重大发现,这些化石保存了非常清晰的皮翼,这些皮翼连接在颈部、前后肢和尾椎之间,形成前皮翼、侧皮翼和尾皮翼。这可是现代滑翔型动物最显著的特点,四肢肢骨与躯干之间的皮肤衍生物会连接成一张翼膜,当四肢打开时就像一个降落伞。

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研究人员表示,马鞍状舌骨决定了咽喉的框架,标志着与爬行动物相比,哺乳动物的食物咀嚼和吞咽更为精细、复杂:哺乳动物通常一次吞下小块或细碎的食物,而不是像短吻鳄那样一口吞下大块食物或整个猎物。

然而,这些新发现的化石可比现代滑翔型动物古老了许多,它们出现在距今约1.6亿年的晚侏罗世。经过鉴定,它们属于哺乳型动物的基干支系,也是现代哺乳动物的祖先类群贼兽类的新属种,分别被命名为似叉骨祖翼兽和双钵翔齿兽。贼兽类是哺乳动物演化树的早期分化绝灭支系,最早出现在2.1亿年前。

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然而,这种独特的舌骨结构何时,以及如何首次出现在哺乳动物身上,一直是古生物学家的疑问。

在此之前,中国的古生物学家在内蒙古宁城发现的最早带翼膜的哺乳动物化石是距今约1.25亿年前的远古翔兽,不同于贼兽类。北京自然博物馆研究员孟庆金告诉《中国科学报》记者,祖翼兽和翔齿兽的系统演化位置比远古翔兽更古老,因此,它们成为了所有哺乳动物漫长演化历程中最为原始的滑翔动物。

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2014年,当时就职于沈阳师范大学的周长付与同事在辽宁、内蒙古和河北交界的燕辽生物群发现了一个保存有精致舌骨的微小柱齿兽化石。

由于化石保存非常完好,要确认化石类型并不十分困难,但是古生物学家却偏偏给自己出了个难题。假如这些化石没有保存皮膜,我们还能不能有别的办法证实它们是滑翔动物?芝加哥大学教授罗哲西说。

这是一块原始的、美丽的化石。我第一眼就为这小小的化石保存得如此之好感到惊奇。我们有一种感觉,这块化石不寻常,但我们对它的不寻常之处感到困惑。罗哲西说,在拍摄了详细的照片,并在显微镜下检查了化石之后,我们才意识到,这种侏罗纪动物的舌骨非常小,很像现代哺乳动物的舌骨。

于是,他们想到从四肢骨骼的比例入手。罗哲西介绍,团队建立了一个大数据库,把80多个属种的动物,进行肢骨数据的统计与形态学的多变量分析,从而把能滑翔的、树栖不能滑翔的、陆栖的动物区分开,然后对化石哺乳动物的运动模式进行推断。

脆弱的骨头

孟庆金表示,他们发现,现生有胎盘和有袋类动物中的滑翔运动模式与肢体元素与身体长度的比例有很好的相关性。通过化石数据的对比,认为新发现的祖翼兽和翔齿兽与现生的滑翔动物更相似,证明它们的确是具有滑翔能力的。

微小柱齿兽属于柱齿目,是中生代哺乳型动物。哺乳型动物就是比哺乳动物更早期的动物,比如类人猿和人比较像,但是它不属于哺乳动物,而是哺乳型动物。周长付说。

有所不同的是,祖翼兽和翔齿兽的前肢活动主要发生在肩锁关节和肱骨关节处,它们具有非常坚固的间锁骨锁骨,可以实现肩部和前肢之间的机动性,所以才获得滑翔能力,而现生的有袋类和有胎盘类动物在滑翔时的肩部活动主要发生在锁骨与胸骨转动关节处。

据介绍,中生代距今2.52亿年至6600万年,在这个远古的年代,哺乳型动物是现代哺乳动物的近亲类群,所以中生代哺乳型动物化石研究是古生物学和生命演化研究的热点。

趋同演化的新证据

由于舌骨比较脆、比较小,难以保存,所以之前的化石研究中很少有人关注到这个领域。

通过对现代哺乳动物运动模式和形态学的多变量分析,古生物学家还有一个重要发现,并不是所有的贼兽类都是可以滑翔的,其他的一些贼兽属种是适于树栖生活的类群,而祖翼兽和翔齿兽是树栖贼兽类群中的一部分,也就是说,它们是从树栖生活的贼兽祖先类群演变而来的。

舌骨比较细小,又与其他骨骼连接不紧密,所以动物死亡后,很容易脱落或腐烂,因此很难保存下来。之前发现的更古老的哺乳型动物化石都没有完整的舌骨保存下来,大多只有牙齿或不完整的头骨等。周长付说,因此,该研究为系统研究哺乳动物舌骨演化课题填补了空白。

罗哲西认为,这对哺乳动物演化的理解有非常重要的意义。这是因为现代滑翔动物滑翔运动方式的演化模式同样是从陆地来到树上,然后换上了皮翼。

在微小柱齿兽中发现舌骨之后,研究人员在其他中生代哺乳型动物身上也发现了类似的舌骨化石结构。

最简单的例子就是松鼠,他解释,松鼠整个大支系都是适应陆地生活的。它们中的几支来到了树上,成为了完全树栖的松鼠,比如分布在亚洲东南部的巨松鼠,它们几乎从不下地,除非被击伤跌落。这些支系最终又演变出了飞鼠这一支,比如中国特有的复齿鼯鼠。

现在我们第一次能够从化石记录中了解早期哺乳动物的关键吞咽功能是如何进化的。微小柱齿兽的微小舌状体是解释哺乳动物进食功能进化的一个重要里程碑。罗哲西说。

再比如人见人爱的澳洲蜜袋鼠、甜袋鼠,它们是体型很小的有袋动物,身体两侧拥有滑行膜,从手关节延伸到脚踝,能在树林间滑行。罗哲西说,从系统分类上,它们属于树栖负鼠的亚支,而负鼠又是与袋鼠的支系相联系的。

研究人员还指出,该发现表明现代哺乳动物的舌骨构造起源并传承于更为原始的哺乳型动物,打破了人们对于舌骨起源于哺乳动物而不是哺乳型动物的常规科学认识。

在树栖生活方式基础上发展出滑翔运动方式具有很多优势。孟庆金解释,滑翔比攀爬更快捷,活动范围更大,有利于食物的大范围获取;还能够更有效地躲避其他地栖动物的捕食;其次,可以避免树栖空中生活带来的坠地等意外损伤。

进化新见解

所以,从现生的有袋类和有胎盘类的树栖类祖先和其他中生代哺乳动物开始,滑翔飞行便在这些动物中经历了多次且不断重复的漫长的演化历史。

研究人员还研究了微小柱齿兽的模型,并重建了其生活方式。

除此之外,中生代哺乳型滑翔动物还与现代滑翔哺乳动物的一种生活方式相同,它们的牙齿形态趋同相似,都是植食性动物。

该化石体长约14.7厘米,体重约5~9克。据介绍,这是迄今发现的体型最小的柱齿兽类化石。它的舌骨部分只有几毫米大小,很难用肉眼分辨,科学家通过工业CT等技术手段探测,经过长时间研究,最终确定了舌骨的存在。

罗哲西指出,滑翔动物一般都有赖于森林环境,现代滑翔动物大多数生存在有花被子植物的森林里,有一定的运动空间。它们在树木的某一些部位取食,比如嫩叶、种子、果实,以及其它像花一样的软组织等。

此外,现代哺乳动物的下颚和中耳是由第一个咽弓发育而来的,咽弓是脊椎动物胚胎中的结构,能发育成其他可识别的骨骼和组织。与此同时,舌骨分别由第二和第三咽弓发育。微小柱齿兽有一个原始的中耳,仍然像其他早期哺乳动物一样附着在下颌上,比如犬齿龙类动物。

只是,有花被子植物在侏罗纪时还没有占据植物群的主导地位,因此,中生代哺乳型滑翔动物是以晚侏罗世已知的蕨类植物,以及苏铁类、银杏类、松柏类等裸子植物为主要食物,主要取食植物较软的部分,例如新鲜的嫩叶、嫩枝分生组织、球果以及可能的种子蕨类植物的生殖结构。

下颌式中耳等特征也为原始哺乳动物多样性和中耳的演化研究提供了新的线索。周长付说。

由此可见,植食性与滑翔运动组合的生活方式,最早已经出现在原始哺乳动物与侏罗纪植物生态系统中。一亿年之后,又在现代哺乳动物与被子植物中重新演化出现,这正是趋同生态演化的新例证。

耶鲁大学博士后学者Bhart-Anjan
Bhullar说:舌骨和耳骨都是原始脊椎动物嘴和鳃骨骼的衍生物,最早的鱼类祖先就是用它们进食和呼吸的。微小柱齿兽的舌骨关节和活动舌骨与古老的中耳共存。因此,现代哺乳动物的建立是对古老系统的再利用。

哺乳动物从来不怕尝试新环境

而且,此次发现的微小柱齿兽是首次被发现并命名的新物种。它具有典型的原始哺乳动物特征,骨骼轻盈,肢骨长而纤细,尾巴超过体长的一半,以树栖生活为主。周长付说。

哺乳动物是当今世界上最重要也是相当繁荣多样的动物类群之一,现生物种超过5400种。不过,单凭物种数量,它们并不是鱼类和鸟类的对手,甚至不如爬行动物来得多。可要论结构和生态分异,它们的丰富程度则是遥遥领先,不但形态各异,而且有树栖、穴居、滑翔、半水生、水生等类型。

据悉,燕辽生物群是世界知名的中生代生物化石宝库,对研究恐龙、鸟类、被子植物起源具有极其宝贵的价值。微小柱齿兽的化石层可追溯到1.66亿至1.64亿年前,当时微小柱齿兽与其他柱齿动物共存,如半水栖的獭形狸尾兽等。

孟庆金表示,传统观点认为,只有现生哺动物、新生代哺乳动物才具有这样的特点,而最早的哺乳动物是出现在恐龙称霸的中生代,彼此之间解剖结构分异不大,生活在不同环境的生态机会也有限。

相关论文信息:

然而,这些年在国内发现的各种早期哺乳动物化石逐渐证明了,尽管它们在中生代体型很小,生物量也有限,并没有什么存在感,实际上,即使是早期基干的哺乳型动物群体也已经显示出了古生态多样性。其中最显著的就是团队此前发现的柱齿兽,在侏罗纪时期已经快速分异演化,发展出了多种多样的生活习性,包括树栖、半水栖和地下穴居。几乎所有现代中小型哺乳动物应该具有的生态类型,在中生代哺乳动物中都曾出现过,除了动力飞行以外。

罗哲西形容哺乳动物从出现开始就是这样一个类群,它们从来不怕去尝试新的生态环境,有时甚至钻牛角尖似的发展出其他脊椎动物都无法进入的新生境,进行进化实验。而且,它们前赴后继,在任何时代竟然都能演化出相类似的功能和生态类型,以展示它们惊人的多样性和广泛的生态适应性。

双钵翔齿兽化石

双钵翔齿兽复原图赵闯绘

《中国科学报》 (2017-08-18 第4版 自然) 更多阅读
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