研究人员推翻了长期存在的假说:哺乳动物的祖先实际上以自己独特的方式移动

Edaphosaurus骨架

菲尔德自然历史博物馆展出的早期非哺乳类突触龙(远古哺乳动物的亲戚)骨架照片。照片来源:肯·安杰奇克

研究人员推翻了长期存在的哺乳动物祖先像现代蜥蜴一样移动的假说,并发现哺乳动物脊椎骨的进化还有很多。

脊椎骨是哺乳动物运动的瑞士军刀。它可以以各种方式发挥作用,使活着的哺乳动物在运动中具有显著的多样性。它们能跑、能游、能爬、能飞,部分归功于它们脊椎的大规模重组,这发生在大约3.2亿年的进化过程中。

翻开任何一本解剖学教科书,你都会发现一个长期存在的假说,即哺乳动物的脊椎骨进化自一种功能类似于爬行动物的脊椎骨,这种脊椎骨具有独一无二的矢状(上下)运动能力,而爬行动物的脊椎骨只能侧向(左右)移动。这种所谓的“侧向矢状”转变完全是基于非哺乳动物突触(哺乳动物的祖先)和现代蜥蜴表面上的相似性。

在2021年3月2日发表的一篇论文中当代生物学yabo124哈佛大学领导的一个研究小组通过测量广泛的现存和灭绝的羊膜动物(爬行动物、哺乳动物和它们灭绝的亲戚)的脊椎形状,挑战了“横向到矢状”假说。利用尖端技术,他们描绘了脊椎结构的进化变化对脊椎功能的影响,并表明非哺乳动物的突触移动脊椎的方式与任何现存动物截然不同。

领导的团队,第一作者卡特里娜·e·琼斯,前博士后研究员,部门,有机和进化生物学,哈佛大学发现,虽然矢状弯曲的程度会增加在哺乳动物进化,最早的脊椎合弓纲是刚度和优化进化过渡到哺乳动物不包括由爬行横向弯曲的阶段特征。yabo124相反,他们发现现代蜥蜴和其他爬行动物具有独特的脊椎形态和功能,这并不代表祖先的运动方式,而且哺乳动物的最早祖先也不像科学家之前所推测的那样像蜥蜴一样运动。

“长久以来的想法,有一个过渡在哺乳动物进化直接从侧向弯曲矢状太简单、资深作者斯蒂芬妮·皮尔斯说,托马斯·d·卡伯特系副教授,有机和进化生物学和馆长的古脊椎动物在哈佛大学比较动物学博物馆。yabo124“几百万年前,蜥蜴和哺乳动物分道扬镳,各自踏上了自己的进化之旅。我们的研究表明,现存的蜥蜴并不代表任何一种祖先形态或功能,而这两个类群在很久以前可能有共同之处。”

合著者Ken Angielczyk,古哺乳动物麦克阿瑟博物馆馆长,Negaunee综合研究中心,菲尔德自然历史博物馆,同意他的观点,“爬行动物进化的时间和哺乳动物一样长,因为爬行动物也有同样多的时间来变化和专长积累。如果你观察现代蜥蜴或鳄鱼的脊椎,它们的脊椎实际上与生活在3亿年前同一时期的哺乳动物和爬行动物的早期祖先非常不同。现在的哺乳动物和爬行动物都在进化过程中积累了自己的一套专长。”

横向到矢状的背部运动和刺轴齿拼图

1.横向-矢状:比较蜥蜴的背部运动(主要是横向运动)和哺乳动物的背部运动(主要是纵向运动)。斯蒂芬妮·史密斯插图。龙颌齿龙之谜:龙颌齿龙是一种灭绝的哺乳动物的前身,它的生命重建展示了脊椎骨是如何在进化过程中拼凑在一起的。插图版权April Neander。
学分:1。斯蒂芬妮·史密斯插图。插图:April Neander。

琼斯和他的合著者,包括前哈佛大学研究生布莱克·迪克森,20岁的博士,开始测量一系列爬行动物、哺乳动物、蝾螈和一些非哺乳动物突触类化石的脊椎形状。这些标本来自世界各地的博物馆收藏,其中现代动物骨骼主要来自比较动物学博物馆(MCZ),以及来自MCZ、菲尔德自然历史博物馆和美国、欧洲和南非的其他博物馆的突触化石。

“我们首先必须量化脊椎的形状,这实际上有点棘手,”琼斯说。“每个脊柱都是由多个椎骨组成的,当你有不同数量的椎骨时,它们的形状和功能可能以不同的方式划分。”

他们在每个脊椎柱的相同位置选择了5个脊椎,并在不同动物身上测量了它们的三维形状。结果表明,非哺乳动物的突触椎体与现代哺乳动物的椎体有很大的不同,与蜥蜴等爬行动物的椎体也有很大的不同。

接下来,研究人员利用他们之前的研究数据,对现存蜥蜴和哺乳动物的椎体形状和椎体运动程度进行了比较,从而检验了椎体可能是如何运作的,提供了形状和功能之间的关键联系。这些数据使研究人员能够在包括化石在内的广泛动物样本中绘制出脊椎功能的变化,这使他们能够重建描述每一组动物的功能特征的精确组合。

皮尔斯说:“我们团队的数据分析方法令人兴奋,因为它可以揭示不同脊柱形状如何导致不同的功能权衡。”例如,爬行动物非常擅长侧弯,但不能像哺乳动物那样上下移动脊椎。皮尔斯说:“除了侧弯和矢状面弯曲,我们还研究了脊椎骨的其他功能,然后确定了哺乳动物、爬行动物和非哺乳动物突触的最佳组合。”

“我们能够显示非哺乳类合弓纲不同组合的功能骨干生活爬行动物和哺乳动物,”琼斯说,“在进化的过程中,他们不仅仅从爬行穿越横向爬行矢状弯曲,他们实际上是在一个完全独特的路径中,他们从一个单独的条件。”

“历史的推测是,哺乳动物的突触祖先与现代爬行动物做同样的权衡。但事实证明,他们有一套完全不同的权衡,”Angielczyk说。“认为爬行动物会保留3.2亿年前祖先的运动模式,这种想法太简单了。”

结果表明,非哺乳动物突触的脊椎骨实际上非常坚硬,完全不同于蜥蜴的脊椎骨,后者在横向上非常顺从。此外,在哺乳动物的进化过程中,这种坚硬的祖先基础增加了新的功能,包括后背部的矢状弯曲和前部的扭转。这些新功能的增加对于构建哺乳动物功能多样化的脊椎骨至关重要,使现代哺乳动物能够跑得非常快,并旋转脊椎骨来梳理皮毛。

皮尔斯说:“通过对化石记录的严格分析,我们能够拒绝简单的横向到矢状的假设,而认为这是一个更加复杂和有趣的进化故事。”“我们现在正在揭示形成独特的哺乳动物脊骨的进化路径。”

该研究是一系列正在进行的研究哺乳动物脊椎骨进化的项目的一部分,这些项目将其发育、形态、功能和进化整合在一起。“我们还不知道整个故事,”琼斯说,“但我们已经接近了。”

研究人员现在正在利用椎骨的三维模型来了解哺乳动物的祖先是如何移动的。“我们现在正在用CAD辅助的三维模型测试我们之前的研究,”琼斯说。“到目前为止,它的效果很好,似乎支持了我们在这篇论文中的发现。”

参考:Katrina E. Jones, Blake V. Dickson, Kenneth D. Angielczyk和Stephanie E. Pi的《适应性景观挑战哺乳动物脊椎进化的“横向到横向”范式》,2021年3月2日,当代生物学yabo124
DOI: 10.1016 / j.cub.2021.02.009

Katrina E. Jones目前是英国曼彻斯特大学的校长研究员。

布莱克·迪克森目前是杜克大学进化人类学学系的博士后研究员。

第一个发表评论关于“研究人员推翻长期存在的假说:哺乳动物祖先实际上以自己独特的方式移动”

留下你的评论

邮箱地址可选。如果提供,您的电子邮件将不会被发布或共享。