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从“牙尖嘴利”到“无齿之徒”:中国科学家探究古鸟类躲过6500万年前“大灭绝”的秘密
2020-05-19 | 编辑: | 【

植食性古鸟类 (左)和小型掠食性恐龙(右)的生态复原场景。与肉食性恐龙同处在一个生态系统下的中生代鸟类,演化出不同的取食习性,例如以种子、果实为主的植食性和以小型昆虫为食的杂食性,避免了直接与肉食性恐龙的食物竞争。(郑秋旸 绘图)

  (化石网报道)据科技日报:生活中,我们经常能看见鸟吃东西时,都是整个儿吞咽下去的。这是因为它们没有牙齿,所以省去了咀嚼的环节。但是你知道吗,很早以前,鸟类也是有牙齿的。近日,我国科学家就通过探究古鸟类牙齿的微结构,发现了它们躲过6500万年前“大灭绝”事件的秘密。

  或许不少人会问,是不是所有古鸟类都有牙齿?鸟类的牙齿和它们的食性有着怎样的关系?现代鸟类还会有一些类似牙的器官吗?为此,科技日报记者采访了相关专家。 

  大部分中生代鸟类都有牙齿

  从化石记录中发现的证据表明,现在已知的大部分中生代鸟类的上下颌都有牙齿。

  2018年5月,《自然》杂志发表了一篇论文,讲述了当时新发现的4块早期鸟类——鱼鸟的化石。鱼鸟是一种类似燕鸥的海鸟,翼展可达60厘米,生活在距今约1亿至6600万年前的北美地区。它就保留有尖锐的弯曲齿。

  此前,古生物学家曾在我国辽宁地区发现一种长有古怪牙齿的鸟类化石。这种鸟类学名为Sulcavis geeorum,属于已经灭绝的反鸟亚纲,它们身长只有十几厘米,体型与知更鸟大小相似,生活在距今1.21亿至1.25亿年前。Sulcavis geeorum的牙齿有尖利的牙冠,而且还保存有形成齿形脊的牙釉质。可能正是因为有了坚固的齿形脊,这些鸟类才可以咬开昆虫、螃蟹或者蜗牛的坚硬外壳。

  “大多数完整的中国辽西鸟类化石都有牙齿并且原位保存在齿骨以及上颌骨的齿槽里,比如长翼鸟、会鸟、热河鸟以及燕鸟等,这些鸟类覆盖了中生代鸟类的主要类群。”中国科学院古脊椎动物与古人类研究所副研究员李志恒告诉科技日报记者。

  但也并不是所有中生代鸟类都有牙齿,比如辽西地区最早发现的也是数量最多的一类基干鸟类——孔子鸟就没有牙齿,而具有角质喙。

  食性转变导致鸟类牙齿退化

  在李志恒看来,古鸟类和小型兽脚类恐龙具有共同的祖先,它们都具有牙列。

  但古鸟类牙齿的数量比小型兽脚类恐龙要少,形态和位置上也出现了一些变化,不像肉食性恐龙那样长着满口锋利的“弯镰刀”。比如属于基干鸟类的热河鸟,牙齿变小、数量变少;而长翼鸟的牙齿虽然相对较弯曲,但是仅在上下颌的最前端存在。

  研究人员认为,鸟类牙齿退化的原因很大程度上是因为食性的转变,从肉食性转为杂食性,种子、果实以及昆虫都成了鸟类的“盘中餐”。不用费力撕咬,牙齿就不再是鸟类进食的必要器官。

  “最近,我们对包括今鸟类、反鸟类、会鸟、热河鸟在内的古鸟类牙齿的微结构进行对比观察和研究,发现尽管简单的釉质层在早期古鸟类中都有保留,但牙釉质与牙本质之间的多孔罩牙本质层皆已消失。”李志恒说,多孔罩牙本质层被认为是能够避免肉食性恐龙在掠食过程中牙齿断裂的特殊避震保护结构,它的消失意味着,鸟类的牙齿不再需要特殊的力学保护结构,间接证实了当时的鸟类在饮食习惯方面与肉食性恐龙产生了极大差异。

  这说明鸟类牙齿在完全丢失之前,已经出现了阶段性的牙齿部分退化现象,直到所有现代鸟类最近的共同祖先仅仅具有角质喙,牙齿消失成为了一个不变的特征被保留下来。  

  没有牙齿没关系它们还有喙

  到了现代,鸟类的牙齿全部消失。为了增强消化功能,鸟类演化出嗉囊和肌胃,食物先在嗉囊中存贮并慢慢软化,再经肌胃磨碎。

  此外,为了弥补牙齿的功能,鸟类进化出各种不同的喙。

  如果有机会近距离观察灰雁,你会发现,它们上下喙的内侧边缘是锯齿状的。不过,这可不是真正意义上的牙齿,科学家称之为板层状构造。这些特殊的喙部的衍生结构可以帮助它们在取食过程中更有效地进食,比如切割植物根茎、过滤水体中的无脊椎动物等。    

  李志恒表示,另外还有一些雁鸭类喙部的锯齿状构造与板层状构造类似,只不过形状不同,其用途很像鱼钩的倒刺,捕鱼的时候可以防止鱼从口中逃脱,企鹅舌部的刺状突起与其有类似的功能。 

  另外,隼形目的鸟类(如红脚隼)喙部前端有一个小的啮缘齿,即喙前端侧面有一个齿状突起,这也是用来撕咬或固定猎物的。“但是,这些都不是真正的牙齿,而是喙部的角质壳衍生出来的膜质或角质结构。”李志恒强调。 

 

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  鸟类牙齿消失原因众说纷纭 

  为什么在漫长岁月中所有鸟类的牙齿都丢了呢?

  传统观点认为,鸟类牙齿的缺失与它们适应飞行生活有密切的关系。没有了牙齿,鸟类的体重就会减轻,从而更利于飞行。

  近年来的分子遗传学研究对这一问题提出了新看法。2014年底,有学者分析了数百种现生脊椎动物的基因序列,发现多个与牙齿形成有关的基因在鸟类的基因组中都已丢失或者只剩下了“假基因”(不完整的序列)。于是,他们在此基础上提出鸟类没有牙齿是因为它们与牙齿发育相关的基因发生了突变。 

  到了2017年,首都师范大学的王烁研究团队提出了启发性观点。他们认为,牙齿的异时发育(后裔发育的时间和速率与祖先不同而发生演化)退化才是导致早期鸟类牙齿丢失的直接原因。

  还有一种观点认为,鸟类是为了使它们的雏鸟能够更快地从卵中孵化出来,才放弃了牙齿。研究人员以长有牙齿的爬行动物作为参照进行研究时发现,胚胎发育出牙齿的过程可以占据全部孵化时间的60%。因此主动放弃牙齿,将会有助于提高鸟类的孵化成功率,对种群的延续具有重要的意义。 

 

  相关报道:鸟类如何躲过大灭绝: 秘密藏在牙齿里

  (化石网报道)据中国科学院古脊椎动物与古人类研究所:恐龙的后代-鸟类,是如何躲过六千五百万年前的大灭绝事件的,一直是科学家亟欲待答的问题。陨石撞击地球以及火山频繁活动导致的大量火山灰在大气中布满,导致地球终年不见天日,依赖光合作用的植物大量死亡,进一步造成植食性恐龙失去了主要的食物来源,最终导致食物链最顶端的肉食性恐龙,如暴龙等相继灭绝。在这一食物链崩溃引发的灭绝事件中,为何鸟类得以幸存? 

  4月21日,学术期刊《BMC Evolutionary Biology》在线发表了中科院古脊椎所李志恒团队与同步辐射研究中心等多家合作单位共同完成的研究成果,对与鸟类亲缘关系最接近的非鸟类恐龙至古鸟类的牙齿演化特征进行了探讨,揭示鸟类与恐龙之间食性的差异很可能是其能够躲过灾变,幸存至今的关键。  

  研究团队通过同步辐射的高解析穿透式X-光显微镜,对小型非鸟类恐龙-包含伤齿龙、近鸟龙、小盗龙,以及古鸟类(见图2)-包含今鸟类、反鸟类、会鸟、热河鸟等牙齿的微结构进行对比观察和研究,发现尽管简单的釉质层在早期古鸟类中都有保留,但牙釉质与牙本质之间的多孔罩牙本质层(图3中IGS所示)皆已消失,而多孔罩牙本质(porous mantle dentin)层被认为是肉食性恐龙牙齿中发育的、避免其在掠食过程中牙齿断裂的特殊避震保护结构。不仅在古鸟类中,本次研究的一种小盗龙标本的罩牙本质层也已经消失。这意味着鸟类与部分亲缘关系相近的恐龙,其牙齿不再需要特殊的力学保护结构;间接证实了其在饮食习惯,如咬合力与掠食性方面,与肉食性恐龙产生了极大差异,通过食性转换避开了与肉食性恐龙对食物生态位的竞争,适应能力极大提高,度过最艰难的时刻。相较于古鸟类的普遍性植食或杂食化的演进趋势,虽然非鸟类恐龙的少数类群,如小盗龙,也发生了趋同演化,但仍难以避免灭绝的危机。








 
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