以人为本 服务至上 科学管理 勤政高效

早白垩世哺乳動物化石揭示中耳演化新模式

  

    1127英國Nature杂志在线发表了中國科學院古脊椎动物与古人类研究所王海冰、王元青,美国自然历史博物馆孟津有关早期哺乳动物中耳演化的研究成果:通过报道发现于辽宁凌源的早白垩世多瘤齿兽类新属种——蓋氏熱河俊獸(Jeholbaatar Kielanae),提出一種新的哺乳動物中耳演化模式。 

  最新研究發表的哺乳動物化石發現于遼甯淩源敞子溝下白垩统九佛堂组,该化石与一件北票鲟化石保存在同一个岩板上。经过长时间室内精心修理,数据处理和对比研究,研究团队确定该化石代表了多瘤齿兽类始俊兽科的新物种,将其命名为盖氏热河俊兽,属名取自热河生物群(Jehol Biota),這是首次報道産自九佛堂組的多瘤齒獸類化石,種本名獻給波蘭古生物學家索菲娅·蓋蘭-娅瓦洛夫斯卡Zofia Kielan-Jaworowska 

  在脊椎動物演化曆史中,哺乳動物中耳演化通常被認爲是生物重演律的經典案例:哺乳動物中耳經曆了從下颌中耳(Mandibular Mammalian Middle Ear),過渡型中耳(Transitional Mammalian Middle Ear),到典型哺乳動物中耳(Definitive Mammalian Middle Ear)的三個演化階段。這使得相關研究成爲早期哺乳動物演化研究的熱點之一,但不同中耳演化階段在各哺乳動物支系中發生的時間和機制一直是研究的難點。 

  蓋氏熱河俊獸的正型標本中保存了完整的中耳結構,爲研究早期哺乳動物耳區演化提供了直接證據。這項研究工作揭示了多瘤齒獸類中耳各個骨塊的完整形態,以及相互間的接觸關系,對探討哺乳動物的齒骨後骨從下颌中耳到典型哺乳動物中耳這一演化事件補充了極具分量的拼圖。基于這項研究,研究人員對于上隅骨(Surangular)在哺乳動物中的演化有了更清晰的認識。此次研究首次揭示了上隅骨在早期哺乳動物中,從一塊獨立的骨骼,變爲逐漸與錘骨體愈合的狀態,成爲錘骨的後外側部分。新標本中的錘骨、砧骨的形態完整,基本保留了原始關節狀態,二者呈疊覆型(背-腹型)的接觸關系。研究人員進一步提出,在哺乳動物中耳演化過程中,盡管中耳骨骼的形態變化很大,但錘骨-砧骨的關節方式呈現兩種模式:疊覆型關節和鞍型關節。 

  此項研究另一個重要突破在于研究人員基于形態學和系統發育分析結果,提出了早期哺乳動物中耳演化的一個新模式。關于下颌中耳到典型哺乳動物中耳的演化機制,“腦顱膨脹負向異速生長是兩種比較常見的假說。“腦顱膨脹假說認爲哺乳動物生長過程中腦顱的增大導致中耳位置後移,最終脫離下颌。 負向異速生長假說強調在胚胎發育早期中耳骨骼形態相對于下颌較大,中耳骨化的時間更早;因此在胚胎發育後期,隨著頭骨、下颌的增大,中耳骨骼最終脫離下颌。隨著化石研究(真三尖齒獸類)和現生動物胚胎發育學(單孔類和有袋類)的進展,這兩種假說獲得的支持在不斷減弱。另一種觀點認爲骨化的麥氏軟骨的存在及齒骨後骨最終的脫離可能與下颌的功能相關。 

  在最新發表的論文中,基于系統發育分析結果,研究人員對哺乳動物中耳演化在異獸類(多瘤齒獸+賊獸類)的演化機制提出新的假說。在中生代哺乳動物中,異獸類至少在中/晚侏羅世(大約1.6億年前)就已經演化出典型哺乳動物中耳;而在同一時期,甚至更晚的早白垩世,其他已知的所有哺乳動物類群都還保留了過渡型中耳。同時,異獸類的齒骨-鳞骨颌关节方式独特,关节较为开放,能够支持下颌大幅度前后向的活动,与兽类中铰链式的齒骨-鱗骨颌關節在形態和功能上區分明顯。結合目前已知的異獸類中耳形態及齒骨-鳞骨颌关节的分化时间,研究人员提出,在哺乳动物中耳演化中,锤骨-砧骨的关节(原始颌关节)与齒骨-鳞骨颌关节(次生颌关节)是协同演化的,叠覆型的原始颌关节能够减少中耳骨骼在空间上的限制。科研人员提出异兽类也存在一个过渡型中耳的演化阶段,但此阶段在异兽类中持续的时间很可能比其他所有哺乳动物类群短,其演化机制很可能是因为异兽类独特的齒骨-鳞骨颌关节及其取食方式对中耳脱离下颌提供了比其他类群更为显著的选择压力,因此加速了中耳的演化,致使异兽在至少1.6亿年前(早于其他所有哺乳动物类群)就演化出典型哺乳动物中耳。 

  本项研究的化石三维扫描在中國科學院脊椎动物演化与人类起源重点实验室高精度CT掃描中心完成,采用板狀化石CT”160-Micro-Computed Laminography)對化石進行高精度掃描。 

  該研究得到了中科院戰略性先導科技專項(B类),国家自然科学基金委员会基础科学中心项目(克拉通破坏与陆地生物演化),国家自然科学青年基金,及现代古生物学与地层学國家重點實驗室开放基金的支持。 

  文章鏈接

  1. 熱河俊獸正型標本(右下角)與一件北票鲟標本保存于同一個岩板 (王海冰 供圖) 

  2. 蓋氏熱河俊獸正型標本 (王海冰 供圖) 

  3. 熱河俊獸的左側中耳形態 (王海冰 供圖) 

  4. 哺乳動物中耳演化中錘骨-砧骨的兩種關節方式 (王海冰 供圖) 

  5. 早期哺乳動物的中耳演化曆史 (王海冰 供圖) 

  6. 蓋氏熱河俊獸正型標本的CL扫描圖像 (王海冰 供圖) 

  7. 热河俊兽生态复原圖 (許勇 供圖)