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现代蛙类的远祖在2亿多年前失去下颚的牙齿 但贡德氏囊蛙又重新演化出整副牙齿

贡德氏囊蛙长着完整的整付牙齿,挑战了演化理论。这只小到可以放在手掌中的成蛙标本,来自堪萨斯大学自然史博物馆。 PHOTOGRAPH COURTESY OF ZA

贡德氏囊蛙长着完整的整付牙齿,挑战了演化理论。这只小到可以放在手掌中的成蛙标本,来自堪萨斯大学自然史博物馆。 PHOTOGRAPH COURTESY OF ZACH RANDALL, FLORIDA MUSEUM OF NATURAL HISTORY 

贡德氏囊蛙上下颚与牙齿的电脑断层扫描,是这种动物牙齿的第一张清晰影像。 CT SCAN BY DANIEL PALUH

贡德氏囊蛙上下颚与牙齿的电脑断层扫描,是这种动物牙齿的第一张清晰影像。 CT SCAN BY DANIEL PALUH

这种蛙的牙齿特写。 CT SCAN BY DANIEL PALUH

这种蛙的牙齿特写。 CT SCAN BY DANIEL PALUH 

贡德氏囊蛙插图,从1996年之后就没有科学家看过这种蛙。 ILLUSTRATION BY GABRIEL UGUETO

贡德氏囊蛙插图,从1996年之后就没有科学家看过这种蛙。 ILLUSTRATION BY GABRIEL UGUETO 

(神秘的地球uux.cn报道)据美国国家地理(撰文:JACK TAMISIEA 编译:钟慧元):现代蛙类的远祖在2亿多年前失去了下颚的牙齿。贡德氏囊蛙到底是怎么重新长回这些牙齿的?

长手长脚、眼睛上方长着招摇的角,贡德氏囊蛙(Guenther’s marsupial frog)是来自安地斯山雾林带、长相怪异的两生类。跟个科的其他囊蛙一样,它们并不会生下游来游去的小蝌蚪,而是把小孩放在背上的皮肤皱褶里养大。

但它还有一个更令人迷惑的特征:它长了一口好牙。

且慢,蛙有牙齿?事实上,没错:大多数的蛙,上颚都长着少数牙齿,但其实,全部7000种现生蛙类,下颚都是没有牙齿的,只有贡德氏囊蛙例外。

可惜,从1996年以后就没有人看过这个物种了,甚至在那之前,也很少有人发现或研究这种蛙。在博物馆搜藏中,这种动物的珍贵标本也很少,全世界可能还不到30件。这么一来,牙齿本身的真实影像,也付之阙如。

这么缺乏研究,也凸显了许多问题,包括一个很简单的问题:这种怪咖蛙的下颚是什么样子?

丹尼尔.帕鲁(Daniel Paluh)是正在佛罗里达大学攻读博士的两爬学家,他希望能填补这个知识缺口。他和佛罗里达自然史博物馆的同事利用显微电脑断层扫描仪探看了已保存在酒精中数十年的六只贡德氏囊蛙标本的头骨里面。

这些影像与分析文章,已经于11月10日发表在《演化》(Evolution)期刊上,提供了对这个物种的上下颚与牙齿的第一次深度观察。

失去牙齿,再重新长回来

这项研究同时也协助解开了其他疑问。约在2亿3000万年前,现生蛙类的祖先永远失去了长在下颚的牙齿,所以贡德氏囊蛙为什么会有牙齿?这些牙齿又是怎么出现的?

首先,帕鲁和同事证明了这些牙齿货真价实,是由名为象牙质的骨骼组织形成,且有珐琅质包裹,驳斥了这些结构可能是「伪齿」的理论。学者还发现,这些取自堪萨斯大学自然史博物馆的牙齿,跟其他囊蛙上颚长的牙齿非常相似,也让这些牙齿更可能是真货。

这些发现,提供了反驳拥有一世纪历史的演化理论「杜氏定律」(演化不可逆法则,Dollo’s Law of Irreversibility)的诱人证据。此理论是由古生物学家路易斯.杜罗(Louis Dollo)所确立,认定生物的某种特征一旦失去,就永远长不回来了。生物无法重新演化出其祖先失去的东西,就像人类并没有重新演化出尾巴那样,这个理论是这么说的。

虽然这个理论的逻辑看似健全,但演化生物学家用像是蜥蜴重新演化成卵生、竹节虫失去翅膀又重新演化出来等例子,已经在杜氏定律上戳出了好几个漏洞。

但贡德氏囊蛙重新演化出牙齿,或许是到目前为止最不可能的案例。 2011年,演化生物学家约翰.维恩斯(John Wiens)重建了170种不同蛙类的演化关系,画出了蛙类在2亿3000万年前失去下颚牙齿、还有贡德氏囊蛙重获牙齿的时间线。他发现,这些牙齿一直到约2000万年前才重新出现,就某种特征在消失以后又重新演化出来而言,这段时间真是「史无前例地」长。

目前在亚利桑那大学工作的维恩斯并未参与最近这项研究,他相信贡德氏囊蛙在重新演化出牙齿方面有一项优势:这种蛙仍拥有功能健全的基因网络,能在其上颚长出牙齿。

「这不是说它们必须从零开始重新演化出牙齿,」维恩斯说:「只不过是要把牙齿放回2亿年来都没长牙齿的地方而已。」

这个过程在诸如蟾蜍之类的其他跳跳两生类身上,或许是不可能的,因为蟾蜍完全没有牙齿。约翰.阿布拉米安(John Abramyan)是密西根大学迪尔伯恩分校的生物学家,同样也没有参与这项研究。他最近才研究了蟾蜍的珐琅质基因编码,而蟾蜍是约在6000万年之前就已经完全失去牙齿了。他发现,那些基因在几百万年岁月中基本上已经劣化成了假基因(pseudogenes,或称伪基因,也就是丧失了原本功能的基因)。

「基本上这些基因就是失业了,」也没有功能,阿布拉米安说:「[但]既然大部分的蛙上颚都还是有牙齿,理论上它们就拥有能制造可用牙齿的所有工具,所以这不能算是演化的跃进。」

演化之谜

然而,这并没有告诉我们这个物种到底是为什么、又是怎么得回了下颚的牙齿,不过食物绝对扮演了某种角色,帕鲁说。身为动物用于咬嚼的主要工具,牙齿通常都是照着菜单铸造的。帕鲁相信,因为大部分蛙类都喜欢小昆虫,而使用黏黏的舌头捕捉猎物,也使得牙齿对某些物种来说比较没那么重要。然而,贡德氏囊蛙胃口很好,甚至会吃像蜥蜴和其他蛙类那么大的猎物。在追捕大猎物的时候,下颚的牙齿或许有助于咬紧扭来扭去的猎物。

但如果重新演化出牙齿是为了让贡德氏囊蛙吞吃大型猎物,那为什么其他肉食性蛙类没有重新长出牙齿呢?有些蛙类,像来自南美洲、体型硕大的角蛙(pacman frog),下颚就长有锋锐的尖牙,可以咬紧猎物。但这些尖牙其实是「伪齿」,是下颚骨的骨质延伸,没有象牙质也没有珐琅质。

根据艾莉莎.萨迪耶(Alexa Sadier)的看法,有些答案可能就藏在蛙的胚胎里。她是加州大学洛杉矶分校的演化生物学家,主要研究蝙蝠牙齿的演化,但最近她也审查到好几个例子,看到已消失的特征仍会出现在动物发育的早期阶段。她相信,若将贡德氏囊蛙的发育和其他蛙类的胚胎拿来比较,可能有助于理解基因是如何、又是何时打开或关掉了牙齿的形成。

她预测,如果学者真的扫描胚胎的话,就会找到更多关于牙齿在发育过程中消失的证据、还有伴随的遗传连结。

帕鲁也希望能在这种蛙身上进行一些发育遗传研究,但新鲜胚胎并不可行——从1996年之后就没有人在野外看过活的贡德氏囊蛙样本了,就连它们曾一度很兴旺的厄瓜多柯塔卡奇卡亚帕斯生态保留区(Cotacachi Cayapas Ecological Reserve)潮湿的火山山麓丘陵都没有。对它们所知甚少,而厄瓜多和哥伦比亚的雾林带又遭到农业和伐木的蹂躏,使得它们的数目锐减,有些人担心这个物种已经灭绝。

不过,突然重新发现本来以为已经灭绝的蛙类,倒也不是没发生过。像是在2018年,学者就发现了13年来连一只都没看到的角囊蛙(horned marsupial frog),地点就在曾经观察到贡德氏囊蛙的同一处厄瓜多雾林中。

帕鲁希望,贡德氏囊蛙也会像这样重新出现——尤其是因为这种两生类的现生活样本,会是多了解它们的牙齿、并解决这个演化谜团的关键。




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