中新网北京4月4日电 (记者 孙自法)在从爬行动物到哺乳动物的进化过程中,有两个最为重要的形态和功能变化,表现在牙齿从简单到复杂以增加食物的摄取能力、下颌头骨关节变为中耳听骨组合以提高听觉效力,二者如何演化备受学界关注。

中国科学院古脊椎动物与古人类研究所(古脊椎所)发布消息说,该所毛方园研究员、张驰研究员联合内蒙古自然博物馆、云南禄丰自然资源局和楚雄化石研究中心以及美国、澳大利亚的科研同行,通过对三件采自中国云南、内蒙古的侏罗纪哺乳动物化石的合作研究,最新揭示出哺乳动物最早的牙齿分化、中耳和颌关节的转化,为哺乳动物同源关系研究提供新的视角,并重塑了早期哺乳动物的系统发育过程。

这一揭秘并改写早期哺乳动物牙齿、耳朵演化结构的古生物研究突破性进展的两篇成果论文,北京时间4月3日深夜在国际著名学术期刊《自然》同期上线发表。

改写哺乳动物生命树早期演化结构

毛方园研究员是这两篇论文的第一作者和共同通讯作者,她接受记者采访介绍说,蜀兽是侏罗纪早期小型哺乳动物,具有特殊的假磨楔齿,即其下臼齿三角座前面有一个“假跟座”(盆状结构)。相比之下,哺乳动物的磨牙具有磨楔齿,其跟座位于三角座后面,接收上臼齿的原尖,并与上牙形成精确咬合,用于食物的加工/咀嚼。

蜀兽曾在系统发育上与南方磨楔齿兽(包括现存的单孔目动物和近亲)关系更近,但这种系统关系存有争议,并且在哺乳动物的研究中留下一些形态学、古地理和功能等方面令人困惑的问题。

毛方园指出,在第一篇论文中,研究人员对内蒙古道虎沟中侏罗世(约1.68亿-1.64亿年前)的两块化石标本进行深入研究,建立蜀兽的一个新属种,为纪念著名古生物学家周明镇院士命名为“周氏近柱齿兽”。

根据完整的牙列、咬合关系和牙齿序列同源性的证据,他们提出一种新的解释:蜀兽的假磨楔齿实际上与另一种已灭绝的哺乳动物柱齿兽的臼齿模式是同源的。

根据修正后牙齿特征重建的系统发育分析结果表明,一个类似摩根齿兽的祖先独立演化产生三个主要的哺乳动物类群——柱齿形兽(包括柱齿兽和蜀兽)、异兽和全兽(包括对称齿兽、兽类和近亲)。同时,早期哺乳动物臼齿进化方向是由类似于摩根齿兽的三尖一排的牙齿形式,在三个大类中以不同的方式逐渐变宽变复杂,以适应更有效的食物加工。

这三个类群牙齿演化的基本特征,是臼齿在摩根兽类的三尖齿祖先形态上,通过三个方向上的不同方式的增宽及复杂化。尽管三种类型演化路径不同,但都增加了牙齿咬合的尖脊和磨蚀面,形成更多、更有效的剪切、挤压研磨功能,提高了处理食物的效率。

毛方园表示,这三个类群中,只有具磨楔齿的支系最终成功演化成为今天地球上占有统治地位的哺乳动物冠群。周氏近柱齿兽化石研究,对单孔类(现生动物代表如鸭嘴兽等)起源提出新的观点,改写了哺乳动物生命树早期演化的结构,将对早期哺乳动物的演化和系统发育格局产生深远影响。

为哺乳动物中耳演化提供最强证据

毛方园说,哺乳动物颌关节和中耳演化过程,是脊椎动物渐进演化最为经典,也是研究最为深入的例子。从爬行动物的方骨-关节骨的颌关节到哺乳动物中耳的砧骨-锤骨的演化过程,体现出脊椎动物演化的一个漫长而复杂的过程。

本次研究发表的第二篇论文,在云南禄丰早侏罗世(约2.01亿-1.84亿年前)更原始的类似摩根齿兽的哺乳动物化石中研究发现一个新属种,为致敬著名古生物学家杨钟健院士命名为“杨氏滇尖齿兽”。

研究团队通过对杨氏滇尖齿兽、周氏近柱齿兽两件化石的详细研究,获得迄今为止中生代哺乳动物中保存最为完整的下颌中耳结构,发现从摩根兽的双颌骨关节到辽尖齿兽所代表的过渡型中耳原始颌关节中丢失的演化证据。

毛方园表示,这两件新属种化石研究结果,有力支持哺乳动物中耳渐进演化的观点。杨氏滇尖齿兽下颌中耳的形态,填补了摩尔根兽很多保存不全的特征。新的研究表明,同出于禄丰动物群,杨氏滇尖齿兽在下颌中耳上表现出来了比摩根齿兽更进步的特征,而燕辽生物群的周氏近柱齿兽代表了更为进步的一个演化阶段。

在已有的系统发育关系下,本次研究集合从燕辽、热河生物群不同阶段最有代表性的一系列化石研究结果,对哺乳动物中耳演化这个经典问题,提出迄今为止最有说服力的古生物学证据,并建立以中国材料为基础的中耳渐进演化假说的模型。

以此为基础,研究团队提出“体系转化”的概念,即哺乳动物中耳的形成,不是单个特征或者某个局部的变化,而是一个体系的变化,取食和听力的结构和功能转换和完善,涉及牙齿、下颌、头骨、内耳以及相关肌肉、神经等软体组织诸多方面。

“对这个过程的新认识,有力支持并丰富了哺乳动物中耳演化这个脊椎动物中渐进演化的经典例子。这个结果和同期发表的有关牙齿演化的成果,将会促进中生代哺乳动物乃至整个早期哺乳动物演化的研究,翻开一个新的篇章。”毛方园总结说。(完)