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恐龙的表亲不下蛋?

中外科研人员发现2.45亿年前初龙型动物胎生繁衍的证据

2017-3-24 15:52:28 来源:中国矿业报 作者: 刘 俊

编者按:

爬行动物以何种方式繁衍后代?许多人的常识答案一定是卵生。但是,近期科研人员却在2.45亿年前初龙类动物化石中发现其采用胎生繁衍的证据。

合肥工业大学资源与环境工程学院副教授刘俊联合成都地质矿产研究所、中国科学院南京地质古生物研究所、美国蒙大拿州立大学、英国布里斯托尔大学、澳大利亚悉尼大学以及昆士兰大学等单位的科研人员,对2008年在云南罗平国家地质公园发现的2.45亿年前恐头龙化石开展了相关研究,发现恐头龙采用胎生繁衍后代的证据。

图一,恐头龙化石的发掘现场。

图二,怀孕的恐头龙捕食鱼类的复原图。

图三,本研究发现的恐头龙化石,放大的部分为胚胎骨骼,比例尺为10厘米。

图四,原龙的谱系发育。

图五,繁殖方式和性别决定机制在羊膜卵动物谱系树上的分布及谱系模拟结果。

日前,《自然》子刊《自然·通讯》刊登了这项成果。该成果以《初龙型爬行动物胎生》为题,讲述了科研人员在古生物学方面的重要研究进展,重塑了科学家对爬行动物生殖方式演化的理解。本期地学版特别邀请合肥工业大学资源与环境工程学院副教授刘俊为读者分享这项重要成果中的部分内容。

1. 一块胚胎化石的重要发现

众所周知,哺乳动物下崽、爬行动物下蛋。胎生是除鸭嘴兽等少数几种动物之外,所有其它哺乳动物的一大典型特征。在这些哺乳动物中,母亲通过胎盘给胎儿提供营养。

但事实上,胎生在蜥蜴和蛇类中也较常见。在有些蜥蜴和蛇类中,胚胎在母体中直接成长孵化,出生时就与外界环境有了直接接触。在现生的大约9400种蜥蜴和蛇类中,约有20%左右的物种采取胎生的方式。初龙型动物是包含现生的鳄鱼和鸟类以及绝灭的恐龙和翼龙等在内的爬行动物,目前约有超过10000种现生种类。但是,在这一类群中胎生从未被发现。

2008年,成都地质矿产研究所张启跃研究员及其团队在云南罗平国家地质公园组织开展了大规模的野外发掘工作,采集了2万多件标本(如图一)。其中,一件长约2米左右的标本在成都地质矿产研究所的标本库里静静等待着发现者。

2011年,经过专业化石修理人员的妙手回春,这件标本露出了它的真实面容。当这件化石被修理完毕时,来自于合肥工业大学的刘俊副教授非常激动。当时,刘俊还是香港大学的博士生,正在与张启跃研究员的团队合作从事罗平生物群海生爬行类的博士论文研究。这件化石之所以特别,是因为刘俊在它的腹部发现了一件很小的胚胎化石,也正是这件胚胎化石为研究人员后来的新发现埋下了伏笔……

2. 揭开化石中的“秘密”

新发现的化石是一种不同寻常的长脖子“海怪”,其脖子长度可达躯干的2倍,外形上有点像传说中的尼斯湖水怪(如图二)。此化石属于一种名为恐头龙的海生爬行动物。恐头龙属于原龙类,比现生初龙类更为原始,主要生活在中三叠世特提斯洋东岸的浅海区域,也就是现在的华南地区。恐头龙主要通过长脖子伏击鱼类为食。新发现的恐头龙化石长大约为3米~4米,其脖子的长度几乎达到整个身体的一半。

新发现的胚胎化石位于母体的内部,躯干整体指向母体的前方(如图三),而一般被捕食的猎物未消化之前在体腔内部头朝后,这证明此胚胎化石为母体内部正在成长的胎儿,而不是同类相食的结果。胚胎化石呈卷曲状,这是脊椎动物胚胎的典型姿势。胚胎化石骨化较好,显示其处于比较高级的胚胎发育阶段,而卵生的初龙类在这一阶段都已经下蛋。在胚胎周围,也没有找到钙化的蛋壳。这些证据都指示恐头龙应为胎生,这也和恐头龙高度适应水生的形态特征相吻合。因为带着长长的脖子以及鳍状四肢的恐头龙在陆地上爬行非常不便,且易于受到攻击。

3. 恐头龙后代性别由基因决定

研究人员在对化石进一步的研究以及全新的谱系发育分析后(如图四),首次证实了胎生在初龙型动物中的存在。这一发现使人们对初龙型动物生殖方式的了解从侏罗纪前推到了三叠纪,往前跨越了5000万年。

一些现生的爬行动物,譬如说鳄鱼,它们的后代性别由外界的环境温度决定。而鸟类和哺乳动物的后代性别则由基因决定。后代性别的决定机制已被证实和中生代海生爬行动物的辐射演化密切相关。为了判定恐头龙的性别决定机制,研究人员以现生羊膜卵动物的性别决定机制和生殖方式的相互关系为基础,利用它们相互之间的亲缘关系以及恐头龙所显示的胎生为依据(如图五),通过谱系模拟,推测已绝灭的恐头龙后代性别由基因决定的可能性超过了95%。考虑到和恐头龙关系最为密切的现生类群,包括龟类以及鳄鱼其后代的性别都是由外界环境温度决定,这是一项非同寻常的发现。

在低纬度地区的广海环境中,温度相对比较稳定。这种环境对性别由外界温度决定的羊膜卵动物来说不具有优势。与此同时,爬行动物的蛋不能在水里孵化。这是因为蛋里的胚胎需要从外界的空气中呼吸氧气,而这一交换过程在海水中极为缓慢。上述推论似乎意味着,同时具有胎生和性别基因决定机制的爬行动物应该更为适应广海生活。本研究中所进行的谱系模拟支持了上述假设,帮助像恐头龙这样的爬行动物成为统治中生代海洋的霸主。

对于现生的初龙为什么没有演化出胎生的现象,现代生物学家有一些猜测,提出的假说也比较多。但是本研究显示,在初龙型动物中没有内在的遗传或者发育机制阻止胎生在这一类群中的演化。这一发现将使得学界目前的研究重心从对什么因素限制了胎生在初龙型动物中的出现转移到探讨自然选择在初龙型动物演化出胎生中所扮演的角色。

本研究得到国家自然科学基金委、现代古生物学与地层学国家重点实验室、安徽省自然科学基金委以及合肥工业大学的资助。野外发掘和实验室的修理工作获得中国地质调查局的资助。□

相关信息:

这是刘俊博士领衔的科研成果继2014年之后第二次作为研究亮点被《自然·通讯》报道。这一科研成果被《自然》杂志选为当周科学界的研究亮点。目前,美国《国家地理》、《探索杂志》、英国BBC、法国法新社、澳大利亚广播公司以及国内媒体等20多家国内外知名媒体已分别通过视频、电话、邮件等方式对此项研究成果进行了出版前的专访。

编辑:宫莉

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