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1.24亿年前李氏源掠兽化石研究发现:一体化的听觉和咀嚼器官为适应自然选择逐渐分离

李氏源掠兽生态环境和陆家屯动物群重建(赵闯绘)

李氏源掠兽生态环境和陆家屯动物群重建(赵闯绘)

(神秘的地球uux.cn报道)据中国青年报·中国青年网(记者 邱晨辉):(原标题:“听”和“嚼”曾是一家 怎么就分了手)这是一场来自1.24亿年前的特殊“分手”,主角一个是管“听”的器官,一个是管“嚼”的器官。

是的,很久以前,负责“听觉”和“咀嚼”的器官是一体的。来自中国科学院古脊椎动物与古人类研究所的毛方园、王元青与美国自然历史博物馆孟津等学者合作,基于1.24亿年前的李氏源掠兽化石发现: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。

不久前,国际学术期刊《科学》(Science)发表了这一成果的论文。其中提到,这块1.24亿年前的化石完好地展现了听觉和咀嚼器官两个模块,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。

据该成果论文第一作者、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所副研究员毛方园介绍,模块演化是演化生物学和发育生物学相结合的一个概念。生物体可在不同层次上分解为小的形态、发育或者功能单元,它们在发育和基因调控上相对独立,在演化中具有不同变异速率,能够在不影响其它模块形态功能的情况下,独立地接受自然选择的作用。

脊椎动物的前肢,就是一个同源模块演化的例子,可以进化成翅膀、鳍或人类的手,但并不影响其它部分,如后肢的形态及功能。

来看这次科学发现的主角——基于早白垩热河生物群陆家屯层中三维立体保存的6件标本,研究人员利用显微断层扫描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。毛方园说,“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。”

研究表明,李氏源掠兽在咬合咀嚼过程中,下颌除了开合运动,也具有横向移动和沿长轴方向的转动。这种下颌咀嚼时的多向运动过程,很可能是导致兽类中耳听骨与齿骨、麦氏软骨脱离的选择压力之一。

毛方园说,近20年我国辽西地区发现的中生代哺乳动物中,爬兽等的骨化麦氏软骨、辽尖齿兽等的听骨,提供了从下颌中耳到典型哺乳动物中耳之间演化过渡模式的证据。然而,在过渡型中耳中,听骨虽然脱离了齿骨,但仍与骨化的麦氏软骨紧密绞合,后者与齿骨相连;因此,听觉和咀嚼的功能尚未完全分开,相互还有影响。

如今这个李氏源掠兽多件化石标本的出现,首次展示出一个关键特征,即听骨与麦氏软骨之间无骨质链接,代表了哺乳动物演化中听觉与咀嚼模块分离的关键节点。

毛方园告诉记者,一系列完整、连续的化石证据还表明,分离的听觉和咀嚼模块,增强了它们的“各司其职”演化能力,听觉器官具备向高灵敏度高频听力发展的潜力,咀嚼器官也获得牙齿和咬合方式多样性演化以摄取不同食物的可能性,从而导致现生兽类哺乳动物的繁盛。

据她介绍,得益于高精度显微断层扫描的结果,李氏源掠兽化石研究还揭示,基干兽类哺乳动物在早期——至少1.2亿年前——有5块中耳听小骨,长度仅5毫米,并首次获得5块听小骨的具体三维形态。如今,哺乳动物只有3块中耳听小骨,另两块听小骨,一块演化为附着听膜的外鼓骨,另一块已在演化过程中丢失或融合到听骨链关节上。

值得一提的是,作为听觉器官的重要部分,中耳接收信号,内耳向大脑传递信号,如今这块李氏源掠兽化石研究还发现,与中耳听骨紧密相关的内耳,其耳蜗管以直线方式向颅基部延长,但已到达极限,代表着哺乳动物耳蜗用不同方式增长,以提高听力的一个演化“试错实验”。

“李氏源掠兽化石的多项研究成果,都为发育生物学研究提供了更多参考证据。”毛方园说,兽类今天在地球生态系统中的成功,和它们祖先的各种成功、失败演化实验分不开。而听觉和咀嚼模块的分离,就是这种演化成功的一个例子。(中国青年报2019年12月16日08版)

相关报道:1.24亿年前的一次“分手”,让哺乳动物吃得更香

(神秘的地球uux.cn报道)据科技日报(陆成宽):这是一个哺乳动物进化出灵敏听觉和高效咀嚼的故事。

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。来自中国科学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。

大量研究表明听骨和齿后骨具有同源关系

模块演化是演化生物学和发育生物学相结合的一个概念。生物体可在不同层次上分解为小的形态、发育或功能单元;它们在发育和基因调控上相对独立,在演化中可具不同变异速率,并且能够在不影响其他模块形态功能的情况下,独立地接受自然选择的作用。比如,脊椎动物的前肢就是一个同源模块演化的例子,可以进化成翅膀、鳍或人类的手,但并不影响其他部分,如后肢的形态及功能。

哺乳动物下颌和听骨是一个特别的模块演化例子。它的独特性在于,该演化兼具同源模块的多样化和功能特异化等特性,且从一个复合形态功能一体化的复杂结构,逐步演化成两个形态和功能完全独立的器官模块。

事实上,形态解剖学、发育生物学、遗传学的大量研究已经表明,哺乳动物的听骨和爬行动物的齿骨后骨具有同源关系。近年来的研究,更进一步表明,这些骨骼在各个类群的早期发育过程中,受到相同基因机制的调控;这些机制,甚至可以追溯到鱼类下颌的发育。

为中耳演化过渡模式提供证据

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。”论文第一作者、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所博士毛方园说道。

研究表明,李氏源掠兽在咬合咀嚼过程中,下颌除了开合运动,也具有横向移动和沿长轴方向的转动。这种下颌咀嚼时的多向运动过程,很可能是导致兽类中耳听骨与齿骨、麦氏软骨脱离的选择压力之一。

近20年中国辽西地区发现的中生代哺乳动物中,爬兽等的骨化麦氏软骨、辽尖齿兽等的听骨,提供了从下颌中耳到典型哺乳动物中耳之间演化过渡模式的证据。

然而,在过渡型中耳中,听骨虽然脱离了齿骨,但仍与骨化的麦氏软骨紧密绞合,后者与齿骨相连;因此,听觉和咀嚼的功能尚未完全分开,相互还有影响。

首次展示听觉与咀嚼模块分离的关键节点

“但是,李氏源掠兽的多件标本首次展示一个关键特征,即听骨与麦氏软骨之间无骨质连接,这意味着听觉与咀嚼器官完全分离,代表了哺乳动物演化中听觉与咀嚼模块分离的关键节点。”毛方园说,这一发现弥合了过渡型中耳和典型哺乳动物中耳在演化过程中表型特征的空缺,在系统发育和特征演化上,代表了基干兽类中更为进步的一个演化阶段。

从形态功能上看,分离的听觉和咀嚼模块,消除了两者之间互相干扰的物理制约因素,增加了两个模块演化和多向适应的可能性;听觉器官具备了向高灵敏度高频听力发展的潜力,咀嚼器官也获得了牙齿和咬合方式多样性演化以摄取不同食物的可能性。

毛方园表示,现生哺乳动物大约有6500种,其中仅有5种是产卵的单孔类,比如鸭嘴兽,分布于澳洲;其它哺乳动物属于兽类,包括有袋类379种,比如澳洲袋鼠,以及6111种有胎盘类哺乳动物,包括我们人类。因此,哺乳动物的多样性,基本上就是在说兽类。兽类今天在地球生态系统中的成功,和它们祖先的各种演化实验分不开。而听觉和咀嚼模块的分离,应该是基干兽类演化成功部分的一个例子。




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