胎生和后代性别基因决定机制这两者结合使得爬行动物成为中生代海洋霸主
2017-02-16 12:31:47   来源:化石网   评论:0 点击:

怀孕的恐头龙捕食鱼类的复原图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厘米发现化石的位置情况(化石网报道)据合肥工业大学资源与环境工程学院:众所周知,哺乳动物下崽,爬行动物下蛋。但是


怀孕的恐头龙捕食鱼类的复原图



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



发现化石的位置情况
 
(化石网报道)据合肥工业大学资源与环境工程学院:众所周知,哺乳动物下崽,爬行动物下蛋。但是,北京时间今天凌晨发表于《自然•通讯》的一篇研究亮点文章颠覆了这一传统认识,首次报道了胎生在初龙型爬行动物中的发现。这一题为“初龙型爬行动物胎生”的重要成果重塑了科学家对爬行动物生殖方式演化的理解。研究结果显示胎生和后代性别基因决定机制这两者结合使得爬行动物得以成为中生代海洋中的霸主。

重要的进化事件,譬如说脊椎动物从海洋登陆,通常由一系列重要的形态结构上的改变而导致。胎生在羊膜卵动物中的演化所导致的脊椎动物由陆地重返海洋是生命进化史上的重要一环。《自然•通讯》于今日所报导的来自于云南罗平国家地质公园的化石显示了胎生的证据。最令人惊奇的是,此前胎生在这一类动物中从未被发现。

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%左右的物种采取了胎生的方式。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。

新发现的化石是一种不同寻常的长脖海怪,其脖子长度可达到躯干的两倍,外形上有点像传说中的尼斯湖水怪(图1)。此化石属于先期报导过的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。恐头龙主要通过其长脖子伏击鱼类为食。新发现的恐头龙化石大约3-4米长,其脖子的长度几乎达到整个身躯长度的一半。

“当六年前我还是香港大学的一位博士研究生时,在成都地质矿产研究所的实验室完成化石的整体修理后,我非常激动”,本研究的主要完成者,来自于合肥工业大学的刘俊博士说,“我不确定此件胚胎化石到底是同类相食的结果抑或是胎生的证据,但是我知道这两种假说中的任何一种都意味着不同寻常的发现”。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(图2),而一般被捕食的猎物未消化之前在体腔内部头朝后。“这证明了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。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。长长的脖子以及鳍状的四肢这些特征都指示恐头龙不大可能爬到陆地下蛋。”

对化石进一步的研究以及全新的谱系发育分析的结果首次证实了胎生在初龙型动物中的存在。“这一发现使得我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5千万年”, 论文的共同作者,来自于澳大利亚昆士兰大学的Jonathan C. Aitchison教授评价到。

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经被证实和辐射演化密切相关。美国蒙大拿州立大学的助理教授Chris Organ博士是这一领域的专家。由其领衔的研究小组曾于2009年在《自然》杂志上发表过一篇有关已经灭绝的海生爬行动物生殖方式和后代性别决定机制关系的文章。为了进一步探讨胎生在初龙型动物中出现的意义,刘俊博士联系Chris Organ博士进行了进一步的合作研究。“通过谱系模拟,我们发现恐头龙的后代性别由基因决定。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”,Chris Organ博士补充到。

在化石中鉴定性别的决定机制不是一件容易的事,这是因为性别决定机制本身不能保存为化石。“在羊膜卵化石中要想判断后代性别由什么决定,首先需要收集现生羊膜卵动物的性别决定机制和生殖方式,然后利用它们相互之间的亲缘关系以及化石物种所显示的生殖方式,通过谱系模拟来推测绝灭生物的性别决定机制,这是一个非常复杂晦涩的过程”,刘俊博士说。

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推论,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,提出的假说也较多”,论文的共同作者,来自于澳大利亚悉尼大学的Matthew C. Brandley博士说到。“但是对恐头龙的分析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”, 论文的另一共同作者,来自于英国布里斯托尔大学的Michael J. Benton院士补充到。

“这一非常重要的发现重塑了我们对爬行动物生殖方式演化的理解,并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”,本研究的一位匿名评审人评述到。

其它信息:

本研究由合肥工业大学资源与环境工程学院副教授刘俊博士领衔,参与单位包括国土资源部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,合肥工业大学为第一和通讯作者单位。这是刘俊博士领衔的科研成果继2014年(http://www.natureasia.com/en/research/highlight/9616)之后第二次作为研究亮点被《自然•亚洲》报导(http://www.natureasia.com/zh-cn/research/highlight/11638)。这一科研成果也将被本周四出版的《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的科技日报等二十多家国内外知名媒体已经分别通过视频、电话或邮件的方式对此研究成果进行了出版前的专访,部分采访报道可见于http://www.nature.com/articles/ncomms14445/metrics的链接。

本研究中涉及到的化石发现于云南罗平国家地质公园,由成都地质矿产研究所张启跃研究员及其团队于2008年组织的野外发掘中采集获得(图3)。本研究得到了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受到了中国地质调查局资助。

研究论文:

Liu, J., Organ, C.L., Benton, M.J., Brandley, M.C., and Aitchison, J.C. 2017. Live birth in an archosauromorph reptile. Nature Communications, 8(14445): 1-8, doi: 10.1038/ncomms14445.

全文可于http://www.nature.com/articles/ncomms14445免费下载。

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