中国科学家证实鸟舌的骨化与飞行能力的出现有关
2018-07-02 10:17:57   来源:化石网   评论:0 点击:

图为主龙类的舌骨演化。图中可以发现了翼龙出现了和鸟类趋同的舌骨演化趋势,而飞行有可能促发了这些舌骨功能的演化。图为舌骨化石在主龙化石里的保存,其中A是前鼻短吻鳄;B为辽西翼龙;C是玩具翼龙,D是热河龙


图为主龙类的舌骨演化。图中可以发现了翼龙出现了和鸟类趋同的舌骨演化趋势,而飞行有可能促发了这些舌骨功能的演化。



图为舌骨化石在主龙化石里的保存,其中A是前鼻短吻鳄;B为辽西翼龙;C是玩具翼龙,D是热河龙,E是羽王龙,F是中华龙鸟。



图为舌骨在鸟类化石和小盗龙里的保存。其中A是小盗龙,B是反鸟,C是孔子鸟,D是红山鸟,绿色的箭头指示了最早的上舌骨的保存,蓝色的箭头指示了最早的基舌骨在孔子鸟和红山鸟里的发现。
 
(化石网报道)据新华社北京6月30日电(屈婷):从恐龙到鸟,一直是进化树上最引人关注的谜。近日,中国科学家从一些罕见带有舌骨的热河恐龙化石上得出诸多颠覆性的“新知”:可能由于获得了飞行能力,鸟类的舌头才开始渐渐骨化、并逐渐可以伸出口腔,方便它们采食;这一进化革命发生在距今1.2到1.3亿年前的白垩纪早期,最早的“证据”来自小盗龙和孔子鸟。

这些成果来自中国科学院古脊椎动物与古人类研究所李志恒团队和美国德州大学奥斯汀分校学者的合作研究。李志恒采取了一种非常前沿的技术手段——肌肉造影方法,来研究恐龙和鸟类的舌头。他想知道:两者的舌骨和肌肉如何相互作用,又产生了哪些功能?

为此,李志恒团队先解构了13种现代鸟类和3个短吻鳄的标本,了解到鸟类舌骨最独特的地方在于:其骨质的部分几乎延伸到舌头的最前端。换句话说,包括人类在内的哺乳动物舌头柔软无骨,而鸟类则都有一条坚硬、灵活的舌头。

众所周知,舌头是取食的关键器官,同时影响着呼吸功能。在进化的道路上,鱼类“登陆”成为陆地脊椎动物时,舌头的出现毫无疑问应该位列“革命性的事件”之一。当陆地脊椎动物演化成不同物种时,它们的取食、呼吸方式也随之不同,舌头和舌骨也发生变化。

对于鸟类而言,李志恒的研究显示:随着现代鸟类取食方式的变化,它们的舌骨也高度分化,显示出多种与取食相关的适应性特征。比如,蜂鸟用水泵一样的舌头来吸食花蜜,因为它们的角舌骨和上舌骨是如此超长,可以帮助它们轻松地把舌头伸出很长,直到花蕊中去。

但这项研究最有价值之处,是李志恒比对上述现生动物舌器和骨骼的对应关系,“还原”出已灭绝的恐龙和原始鸟类舌头究竟是如何一步步骨化的。这项研究工作耗时日久,并且需要极为罕见的舌骨化石材料。

幸运的是,中国热河生物群是早期鸟类演化的“化石宝库”,特异的埋藏环境让纤细的舌骨也保存下来。李志恒研究了11个化石种类的舌骨,包括小型的似鸟恐龙、翼龙甚至暴龙,同样用肌肉造影方法、X射线断层扫描获得了高精度的三维图像,把它们放在进化树的谱系中一一比对。

一种演化趋势因此清晰可辨:随着飞行能力的获得,一些似鸟恐龙已经不能用“手”来处理食物,这时候舌头就逐渐成为重要的处理食物的辅助工具。舌头变得越来越灵活、坚硬,两边的舌骨就越来越长,直到在舌头前端慢慢合拢,产生了一个新的骨化中心——基舌骨。

李志恒说,基舌骨是支撑鸟类舌头最主要的一块骨头。那么,类似鸟类的基舌骨最早出现在哪一只恐龙身上呢?答案是小盗龙——一种跟鸟关系很近的恐龙。到了早期的原始鸟类——孔子鸟,基舌骨的骨化已经清晰可见。这意味着,恐龙在向鸟演化的过程中获得了复杂、灵巧的骨质舌器。李志恒认为,这一“鸟类演化的关键一步”发生在距今1.2到1.3亿年前的白垩纪早期。

从取食的角度来说,有了基舌骨,似鸟恐龙才得以伸出舌头去获取种子、昆虫等。像短吻鳄那样短的舌骨,显然舌头是无法灵活地伸出去的,只能固定在口腔底部。于是,一个“无心插柳”的发现是:像电影那样张开血盆大口、舌头滴答着口水的霸王龙,从科学证据看,那是不可能的。

以前,古生物界对于鸟类舌骨的分化和变异,很少从进化的角度去解释。而李志恒团队提出的“新知”——由于鸟类飞行导致新的取食方式,促进了舌骨的分化和活动性等,无疑具有颠覆性。

“舌骨的出现和分化对于人们理解鸟类演化具有重要意义,”李志恒说,但更多的谜题还等待破解,比如鸟类独特的呼吸和发声方式与舌骨有何关联?“由于化石证据的缺失,这些鸟类演化中关键特征的发生和改变时间还需要进一步确认。”

相关报道:舌骨研究为古鸟类演化提供关键性证据

(化石网报道)据中国科学院古脊椎动物与古人类研究所:舌骨的主要作用是支撑舌头,而鸟类舌骨的独特之处在于其骨质部分还能延伸到靠近舌头的最前端。舌骨在古生物学的研究中很少受到关注,但实际上,舌骨研究可以为灭绝动物的生活方式提供关键性证据。

6月20日,古脊椎所周忠和团队和美国德州大学奥斯汀分校同行在Plos One杂志在线发表了关于舌骨研究的最新进展,不但揭示了恐龙的舌头很可能像短吻鳄那样短而平扁、固定在口腔底部不能伸出,从而挑战了传统恐龙舌头复原以外,还提出了由于飞行而获得的新的取食生态促进了舌骨的分化和活动性的新观点。

基于恐龙、翼龙和现代鳄鱼、鸟类之间的亲缘关系,该项工作比较了恐龙、翼龙、短吻鳄和现代鸟类的舌骨及相关肌肉,以及这些性状在不同谱系中的演化趋势。比较解剖的研究工作主要通过利用杰克逊学院高精度X-射线断层扫描以及增强CT造影所获取的高精度图像以及三维重构完成,对比标本包括了大量的现代标本的舌骨,分别来自3个短吻鳄以及13种现代鸟类(从鸵鸟、鸸鹋、鸭子和鹌鹑);还包括11个化石种类的舌骨,这些化石主要来自中国的热河生物群,包括小型的似鸟恐龙、翼龙甚至暴龙,由于舌骨在化石中的保存较为罕见,这些标本完好的舌骨显得尤为珍贵。

结果显示,大多数恐龙的舌骨和短吻鳄类似,短小而简单,无法支持舌头的自由活动。舌骨的形状在翼龙、似鸟恐龙甚至在鸟类自身中,具有多样性。舌骨灵活性提高有关很可能与飞行有关,因为飞行大大扩展了这些类群的取食生境,恐龙在向鸟类演化的过程中获得了复杂以及灵巧的骨质舌器。伴随着现代鸟类的生境的分异,舌骨进一步高度分化,显示出多种和取食相关的适应性特征,例如鸭子、啄木鸟、蜂鸟等。

舌器的分化对于理解鸟类演化具有重要的意义,未来的研究将会进一步关注和舌骨功能变化的相关解剖结构的改变,例如鸟类显示出舌骨后面连接的咽喉位置的后移很可能影响其发声和呼吸方式,不过由于化石证据的缺失,这些关键特征的改变以及发生时间还需要进一步确认。

这项研究得到中国科学院、国家自然科学基金委、美国史密斯国家博物馆、贝蒂穆尔基金会的资助。

原文链接:http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0198078

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