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古老牙齿勾勒最早哺乳动物

来源:《中国科学报》2020-10-14 09:47

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  科学家通过计算牙齿化石上的“年轮”了解最早的哺乳动物。图片来源: Nuria Melisa Morales Garcia.

  ■本报记者 唐凤

  活动少、寿命长。这就是哺乳动物的祖先,可能跟人们想象的不一样。

  英国布里斯托尔大学和芬兰赫尔辛基大学研究人员领衔的一项研究,对距今2亿年的最早哺乳动物牙齿进行了开拓性分析。结果显示,它们与冷血的爬行动物类似:活动较少但寿命长得多。

  这是古生物学家第一次能够直接研究早期哺乳动物化石的生理机能,并颠覆了人们之前对自己最早祖先的认识。10月12日,相关论文刊登于《自然—通讯》。

  “我们有了一些非常惊人的发现。之前人们认为哺乳动物的关键特征,包括温血习性,大约在同一时期进化。”论文第一作者、布里斯托尔大学助理研究员Elis Newham告诉《中国科学报》,“相比之下,我们的研究结果清楚地表明,尽管它们有更大的大脑和更高级的行为,但它们并没有‘放纵生活’并英年早逝,而是生活节奏更慢、寿命更长,类似于蜥蜴等小型爬行动物。”

  最早哺乳动物

  哺乳动物的起源和辐射是生命历史上的重要事件,化石显示,哺乳动物起源于2.2亿年前,即三叠纪晚期。最早的哺乳动物被广泛认为是广义的食虫动物,代表了哺乳动物最初5000万年的进化过程。

  尽管人们在解剖学、生态学和早期哺乳动物进化方面的知识有了相当大的进步,但对其生理学却知之甚少。甚至,研究人员表示,关于哺乳动物的起源时间和化石群的证据是矛盾的。

  研究人员挑选了两种最早的哺乳动物——Morganucodon和Kuehneotherium。

  这两种动物生活在大约2亿年前的三叠纪晚期和侏罗纪早期,体形较小,通常被认为是广义的食虫动物,也是地球上最早的哺乳动物的代表。它们与早期恐龙一起生活在地球上,许多科学家认为它们是温血动物。

  多年来,布里斯托大学的Pamela Gill及同事一直在研究这些哺乳动物化石。Gill提到,“早期哺乳动物化石的保存度不佳,胃中没有保存可供推断的食物,所以我们只能利用最新技术从下颌和牙齿化石中搜寻证据。”

  2014年,研究人员发现Morganucodon和Kuehneotherium的牙齿凹面和擦痕有很大不同。这表明两者的食物也有差别——Morganucodoni喜欢硬而脆的食物,例如甲虫,而Kuehneotherium更喜欢偏软的食物。研究人员在另一篇刊登于《自然》的论文中表示,这表明在那个时期,生态位划分和饮食分化正在进行中。

  牙齿暗藏生活“故事”

  Newham在南安普敦大学读博士研究生期间就开始研究这些牙齿。

  Morganucodon和Kuehneotherium的牙齿化石只有针头大小,Gill和Newham等人使用先进的X射线技术对其进行了扫描。通过扫描牙骨质化石,Gill希望保存的数据能够足够清晰,以确定这种哺乳动物的寿命。牙骨质是将牙根固定在牙槽骨内,并在一生中持续生长的物质。

  幸运的是,牙齿为这些小型哺乳动物的寿命和进化提供了新的线索。

  研究小组研究了它们牙槽内的生长轮,后者就像树木年轮一样每年沉积下来,以便计算出这些动物的寿命。研究结果表明,它们的最长寿命可达14年,这比与它们体形相当的有毛后代,如老鼠和鼩鼱,要长得多。老鼠和鼩鼱在野外只能存活1~2年。

  而使用这些新成像技术的灵感来自于现实中的一颗牙齿。“我的一位同事,也是论文的合著者之一,拔掉了一颗牙齿,并告诉我想给它拍X光片,因为X光片可以告诉有关你生活历史的所有事情。这让我想到是否可以做同样的事情,以了解更多关于古代哺乳动物的信息。”Gill告诉记者。

  为了验证这一理论,一颗属于Morganucodon的古老牙齿标本被送到了赫尔辛基大学的Ian Corfe手中,他用高能同步加速器X射线对其进行了扫描。“让我们高兴的是,虽然牙骨质只有几分之一毫米厚,但扫描得到的图像是如此清晰,完全可以用来计算。”Corfe说。

  这标志着这项为期6年的国际研究的开始。

  与想象不同

  2亿年前,这些小动物或许不小心掉进了岩洞里,在那里它们的骨骼,包括牙齿,变成化石。“多亏了这些保存完好的微小碎片,我们得以对一个物种的数百个个体进行研究。”Corfe说。

  研究人员分别使用位于法国和瑞士的欧洲同步辐射装置和瑞士光源,对英国伦敦自然历史博物馆和剑桥大学动物博物馆提供的约200个牙齿标本进行了扫描。

  “光是扫描就花了一个多星期,我们24小时轮班来完成所有工作。这是一次难忘的经历,当图像开始出现时,我们知道自己得到了一些东西。”Newham说。

  研究人员用数字技术三维重建了牙根,结果显示,Morganucodon可以活14年,而Kuehneotherium可以活9年。Newham说:“它们的寿命比我们预期的同样大小的小型哺乳动物的1到3年要长得多,这让我很吃惊。”

  除此之外,它们的骨骼、头骨和牙齿都与哺乳动物十分类似。例如,它们有专门的咀嚼牙齿、较大的大脑,可能还有毛发,但它们漫长的寿命表明,其生活节奏更像爬行动物,而不是哺乳动物。

  “有充分的证据表明,哺乳动物的祖先从二叠纪晚期开始变得越来越温血,但是,即使是数千万年后,我们的祖先仍然更像现代爬行动物而不是哺乳动物。”Newham说。

  但研究人员认为,尽管它们的生活节奏仍然像爬行动物,但在这些早期哺乳动物的骨组织中发现了证明它们具有持续运动的过渡能力的证据。作为一种活组织,骨骼含有脂肪和血管。这些血管的直径可以揭示动物能利用的最大血流量,这对动物的觅食和狩猎等活动至关重要。

  数据显示,在Morganucodon的大腿骨中,血管的流速比同等大小的蜥蜴略高,但远低于现代哺乳动物。这表明,这些早期哺乳动物比小型爬行动物活跃的时间更长,但却不能像现在的哺乳动物那样充满活力地生活。

[ 责编:张梦凡 ]
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