演化路上 鳥類為何弄丟了一側(cè)卵巢
在早白堊世期間，鳥類在演化中發(fā)生了一系列特征改變，中間的許多關(guān)鍵性環(huán)節(jié)現(xiàn)在仍然是謎，比如為什么恐龍有兩側(cè)卵巢和輸卵管，鳥類卻只有左側(cè)卵巢及輸卵管。
本報(bào)記者 李 禾
當(dāng)鳥從恐龍演化而來時(shí)，發(fā)生了什么變化？繼2013年在《自然》雜志發(fā)表論文《早白堊世鳥類卵泡的精美保存對(duì)研究恐龍繁殖行為的意義》之后，近日，中科院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所周忠和團(tuán)隊(duì)于《生物通訊》雜志在線發(fā)表了最新相關(guān)研究成果：鳥類軟組織化石能長時(shí)間保存，右側(cè)輸卵管和卵巢的退失可能發(fā)生在恐龍向鳥類過渡的階段。
早白堊世距今約1.2億年，這期間發(fā)生了從恐龍到鳥類的一系列演化事件。與恐龍相比，演化而來的鳥類一系列關(guān)鍵特征發(fā)生改變，生殖器官就是其中之一。有標(biāo)本顯示，雌性恐龍和現(xiàn)在的爬行類動(dòng)物相似，仍保存兩側(cè)的卵巢及輸卵管，但現(xiàn)生鳥類的雌鳥僅保留了左側(cè)的卵巢及輸卵管。從什么時(shí)候開始，鳥類丟失了一側(cè)的卵巢及輸卵管？這與適應(yīng)飛行需要的體重減輕有關(guān)嗎？
中空骨架和尾綜骨等結(jié)構(gòu)演化還存謎
山東省天宇自然博物館館長、臨沂大學(xué)教授鄭曉廷團(tuán)隊(duì)一直與周忠和團(tuán)隊(duì)進(jìn)行早期鳥類演化的合作研究。鄭曉廷告訴科技日?qǐng)?bào)記者，與鳥類關(guān)系最近的恐龍像鱷魚一樣，具有兩個(gè)功能性卵巢和輸卵管。但在早白堊世的熱河鳥以及反鳥類標(biāo)本中，研究者發(fā)現(xiàn)早期鳥類只保留了左側(cè)卵巢，進(jìn)而推測鳥類右側(cè)卵巢的退化可能發(fā)生在恐龍向鳥類過渡的階段，很可能與適應(yīng)飛行需要的體重減輕有關(guān)。
“對(duì)于鳥類來說，為更有利于飛行，它們?cè)谘莼锌偸亲畲笙薅葴p輕體重。”鄭曉廷說，“體現(xiàn)鳥類體重減輕的方面還有很多，比如骨骼簡化愈合，還有，鳥類的骨骼都是中空形態(tài)的，這些都是為了最大限度的減輕重量。”
鳥類獨(dú)有的中空骨架是有效降低體重的最直接方式，會(huì)飛的鳥類骨骼又細(xì)又長，中空且沒有骨髓，骨架僅占身體體重的5%—6%。但陸地動(dòng)物的骨架重量占了身體總體重近40%。
羽毛中真正有飛翔功能的是飛羽和尾羽，飛羽長在翅膀上，尾羽長在尾部。鄭曉廷說，最原始的鳥類，包括始祖鳥和熱河鳥，都具有一個(gè)爬行類動(dòng)物的骨質(zhì)長尾。其它鳥類都有一個(gè)縮短的尾巴，末端是一個(gè)愈合結(jié)構(gòu)，稱作尾綜骨。現(xiàn)生鳥類中，尾綜骨通常連著一個(gè)用來控制尾羽的肌肉結(jié)構(gòu)——尾羽球莖。尾羽球莖在飛翔中控制尾羽的展開，這種對(duì)尾羽形狀的控制極大提高了尾部的飛翔功能。
熱河生物群是約1.2億—1.35億年前生活在東亞地區(qū)的一個(gè)古老生物群，其鳥類化石保存了已知最早的帶尾綜骨鳥類，還保存了各種各樣的尾羽形態(tài)，但卻沒有發(fā)現(xiàn)尾部過渡演化的直接化石記錄。早白堊世鳥類不同支系間尾羽和尾綜骨形態(tài)的差異引發(fā)了學(xué)術(shù)界這樣一種觀點(diǎn)，即尾羽球莖是與現(xiàn)生鳥類的犁頭型尾綜骨一同起源的。一種新發(fā)現(xiàn)的鵬鳥科鳥類——大嘴齊亞比鳥化石中保存的確鑿證據(jù)表明，反鳥類也曾擁有協(xié)助飛翔的扇形尾羽。短尾綜骨與扇尾相伴，共同出現(xiàn)在現(xiàn)生鳥類和會(huì)鳥目中，現(xiàn)在又出現(xiàn)在鵬鳥科中，這充分說明了這些結(jié)構(gòu)是一同起源的，并且與尾羽球莖一起構(gòu)成了一個(gè)復(fù)合型尾翼。最簡單的推測是尾羽球莖是尾綜骨類的一個(gè)祖征，然后在演化過程中，部分鳥類和反鳥類不幸失去了這一結(jié)構(gòu)，變得像今天的鴕鳥一樣。
軟組織能否長時(shí)間保存仍需研究
2013年論文《早白堊世鳥類卵泡的精美保存對(duì)研究恐龍繁殖行為的意義》發(fā)表后，部分學(xué)者質(zhì)疑軟組織能否保存如此長時(shí)間，并猜測卵泡化石實(shí)際上是胃里未被消化殆盡的植物種子。
對(duì)此，鄭曉廷并不認(rèn)同，他認(rèn)為植物種子與卵泡化石結(jié)構(gòu)并不一樣。周忠和研究團(tuán)隊(duì)通過高分辨率CT、能量色散X射線譜、骨組織切片染色等技術(shù)手段，對(duì)卵泡化石和現(xiàn)生標(biāo)本進(jìn)行了對(duì)比研究。研究結(jié)果也進(jìn)一步確認(rèn)了這是卵巢濾泡化石，展現(xiàn)出卵泡組織的高分辨細(xì)節(jié)特征，包括了可收縮的肌肉、血管化組織，這些都和現(xiàn)生鳥類正在形成的蛋黃周邊組織相似，為卵泡提供營養(yǎng)，幫助排卵期的鳥類順利排卵；平滑肌纖維、膠原蛋白纖維、血管等軟組織的發(fā)現(xiàn)都和早期研究論文中提出的假設(shè)吻合，即與現(xiàn)生鳥類相關(guān)組織相似，與食入種子的假設(shè)不符。
“軟組織確實(shí)不易保存，但是通過迅速脫氧等條件，軟組織是可以較好保存下來的。”鄭曉廷說，特別是羽毛的軟組織，隨化石保存下來的較多。
近年來，熱河生物群化石除了保存有完整的骨骼、精致的羽毛和其他皮膚衍生物外，包括肺泡等軟組織內(nèi)臟組織在化石研究中同樣不斷被發(fā)現(xiàn)，證明了軟組織在歷經(jīng)復(fù)雜、長時(shí)間尺度的埋藏后，可能被保存下來。
鄭曉廷說，對(duì)一件保存了卵泡組織和翅膀軟組織的始孔子鳥標(biāo)本進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，始孔子鳥具有翼前膜和翼后膜，翼前膜所保存的內(nèi)部網(wǎng)狀支撐結(jié)構(gòu)與現(xiàn)生鳥類非常相像，軟組織結(jié)構(gòu)顯示翼前膜能夠形成一個(gè)弧形剖面并可以產(chǎn)生抬升力。
“不過，比較有意思的是，有個(gè)別標(biāo)本，羽毛保存較好時(shí)，骨骼組織就保存得較差。還有個(gè)別鱘魚標(biāo)本，當(dāng)它的消化系統(tǒng)、皮膚結(jié)構(gòu)保存較好時(shí)，骨骼組織就保存得較差。而有些骨骼保存較好的標(biāo)本，其軟組織往往保存較差。”鄭曉廷說，這個(gè)原因還有待進(jìn)一步研究。
消化系統(tǒng)等差異或與食物結(jié)構(gòu)有關(guān)
鄭曉廷說，通過對(duì)早期鳥類的研究，還會(huì)發(fā)現(xiàn)很多有意思的地方，如不同鳥類具有不同的消化系統(tǒng)，這可能與早期鳥類食物結(jié)構(gòu)不同有關(guān)。
比如對(duì)幾件嗉囊中保存著魚類殘骸的燕鳥標(biāo)本的研究發(fā)現(xiàn)，早白堊世時(shí)期的鳥類在吃飽情況下，會(huì)在食道中儲(chǔ)存一部分食物以備以后消化。燕鳥的牙齒不是用來咀嚼食物的，而是用來捕捉食物；燕鳥消化道不同的部分已具有先進(jìn)的肌肉系統(tǒng)，在消化食物過程中具有不同的蠕動(dòng)功能，先進(jìn)的消化道系統(tǒng)已出現(xiàn)在具有牙齒的白堊紀(jì)鳥類中。
鄭曉廷說，對(duì)早白堊世九佛堂組的一件古喙鳥標(biāo)本的研究發(fā)現(xiàn)，所保存的軟組織形態(tài)顯示古喙鳥的肺與現(xiàn)生鳥類的肺極為相似。這表明，支持鳥類飛翔有效供氧特化肺臟在1.2億年前的鳥類中就已經(jīng)演化形成。
在現(xiàn)生呼吸空氣的脊椎動(dòng)物中，鳥類擁有結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、功能最有效的呼吸系統(tǒng)，在氧氣稀薄地區(qū)都能滿足鳥類飛翔運(yùn)動(dòng)中高能耗的需求。古喙鳥被認(rèn)為是已知最原始的現(xiàn)生鳥類之一，可能處于一個(gè)從骨骼結(jié)構(gòu)來看，呼吸系統(tǒng)還比較原始的階段，然而其肺臟的微觀結(jié)構(gòu)卻已非?，F(xiàn)代。這一發(fā)現(xiàn)可能表明，許多對(duì)現(xiàn)生鳥類至關(guān)重要的軟組織結(jié)構(gòu)，比如消化系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)的生理學(xué)演變是發(fā)生在骨骼形態(tài)適應(yīng)演變之前的。 【編輯:朱延靜】
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