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破解龟类演化"悬案" 中国神龟两度登上《自然

  龟,自古便是祥瑞长命的意味。在中国、日本和印度的神话传说中,龟都被奉为神灵。期间越久远的龟,彷佛越遭到人们的敬爱,也越显能示其特别的代价——十年的龟,是家里的爱宠;百年的龟,是动物园的明星;千年的龟,是富商通灵的写字板;万年的龟,是古人类享受熟食的大锅;而亿年的龟,便是古生物学家的珍宝——能够用来解读生物演变汗青,向众人展现这种奇特的爬虫类,在漫长岁月里“洗面革心”的非凡故事。

  就在克日,由中科院古脊椎所研讨员,李淳和吴肖春领衔的国际合作团队,配合报导了他们在中国贵州省新发明的一种古龟化石——中国始喙龟(Eorhynchochelys sinensis)。它来自遥远的三叠纪,是当代一切龟鳖类的远祖,距今已有2.28亿年“高龄”。

  这只“中国神龟”的现世,让古生物学家们甚为高兴。因为它行将揭开的,是脊椎动物演变史中百年未解的“汗青悬案”。

世界龟鳖是一家,来源于统一先人。图片来源:thenode.biologists.com世界龟鳖是一家,来源于统一先人。图片来源:thenode.biologists.com

  龟骨惊异,生成“反骨”

  龟长相呆萌,使人入神的同时,又满身是迷。如果然要说某种脊椎动物是“骨骼惊异”的话,那必定是龟。

  惊异之一,在于当代的龟类和当代的鸟类异样,无一例外的都长着“无齿”的角质喙。它们在演变道路上,都不约而同的完全摈弃了牙齿这一紧张的进食对象。

龟和鸟都有角质喙,显露“无齿”的笑脸。左图来源: sailorsforthesea.org。右图来源: littlethings.com  龟和鸟都有角质喙,显露“无齿”的笑脸。左图来源: sailorsforthesea.org。右图来源: littlethings.com

  另一个奇特的地方在于脊椎骨。龟类无论是颈椎、背椎照样尾椎,数量都比其余脊椎动物少许多——短小的脖子只要8节颈椎[1],躯干仅9节背椎[2],尾巴也很短小。

  不外,要说龟类最奥妙的布局,照样在于它们的壳。每只龟都“身怀二甲”——上面一部门是背甲(carapace),像古罗马修建的穹顶,罩着全部躯干,由激烈变形的背椎、肋骨和与之交融的骨板拼接而成;上面一部门是平展的腹甲(plastron),保护着腹面。

龟的剖解。图片来源:publicdomainreview.org龟的剖解。图片来源:publicdomainreview.org

  这就比如把一只失常脊椎动物的肩胛骨和骨盆“拆解重组”,一切塞到胸廓里,然后再“拿走”背面和腹部的一切肌肉,从“肉包骨头”酿成“骨头包肉”。足见,龟壳是个“反骨”的逆天计划。

  无齿的角质喙,反转的胸廓,包裹满身的背甲和腹甲,小短脖和小短尾,再加之浑圆的“五头身”,龟好像是突如其来的外星生物,在脊椎动物圈儿里算得上是举世无双了。

  那末,这些逆生成长的身材布局从何而来?龟的牙齿什么时候开端退步?最陈旧的龟有壳吗?它们来源于海洋照样海洋?

  自从欧洲的博物学家第一次剖解龟类以来,这些谜团就困扰了人们近两百年,成为了古生物学家、发育生物学家和份子生物学家都亟待解答的成绩,乃至可被视为演变生物学“皇冠上的(一小颗)明珠”。

  “有希望的怪物”,出身难明

  在1887年,困难彷佛有了一丝起色。德国发明了2.1亿年前的原颚龟(Proganochelys),是其时已知最陈旧的龟[3]。但它除腭部有牙以外,大部门身材布局和当代龟类并无二致。

  原颚龟虽然紧张,惋惜没能办理龟类来源的基本成绩。因为停止其时,都没有发明“似龟非龟”的过渡物种,龟类的奇特身材布局彷佛是“忽然”呈现的,在随后的2亿年里险些没变。

  因为缺乏证据,其时的古生物学家无法地借用了一种“大逆不道”的实践—“Hopeful Monster”,即“有希望的怪物”——来说明龟的来源。

Hopeful Monsters 画图:Ray Troll,图片来源:www.maryanningsrevenge.comHopeful Monsters 画图:Ray Troll,图片来源:www.maryanningsrevenge.com

  自从达尔文的“天然选择学说”提出以来,生物学家们一向觉得生物剖解布局的变更是一个异常迟钝的进程。“Hopeful Monster”[4]这种实践最先由遗传学家Goldschmidt提出,他觉得:大部门生物的演变,在物种内是由渺小渐变历久垂垂积聚而成;但那些培养全新生物范例的新状态,则能够是由发育形式的宏大改变来完成的。后者绝对前者更加敏捷,且经常对生物体无害,只不外,一旦这些monster(怪物)遭到情况青眼,就可以独辟蹊径,大展宏图,变得hopeful(有希望)。

  以是,龟真的是如许一种忽然间产生的“有希望的怪物”吗?或是仅仅因为人们尚未找到充足的证据?

  东海现神龟,名曰“始喙”

  近十年来,几件紧张化石证据的连续呈现,垂垂破解着这个谜团。

  2008年,在原颚龟发明120年后,中科院古脊椎所的李淳和吴肖春等,在《天然》杂志上报导了中国贵州关岭发明的2.2亿年前的齿龟(Odontochelys)[5]。

  齿龟比原颚龟更陈旧,并且和其余原始的爬虫类异样,腭部和嘴巴边沿都长了牙。齿龟成体体长40厘米,中等巨细。与原颚龟比拟,齿龟唯一腹甲而没有背甲,与当代龟类胚胎中先长腹甲再长背甲的征象同等。这项古生物学和发育生物学不约而同的发明,可谓经典。

  不外,齿龟化石保留一样平常,头骨细节仍然是个谜。发明于浅海沉积物中的齿龟,能否阐明龟类就来源于海洋,也激发了很大的争议。

 Odontochelys 齿龟,Odonto是“有牙的”意思,chelys是“龟”。发明于中国贵州关岭,珍藏于中国科学院古脊椎动物与古人类研讨所。图片来源:WikipediaOdontochelys 齿龟,Odonto是“有牙的”意思,chelys是“龟”。发明于中国贵州关岭,珍藏于中国科学院古脊椎动物与古人类研讨所。图片来源:Wikipedia

  2015年,在原颚龟的故乡斯图加特,德国古生物学家Rainer Schoch和Hans Sues爆出了2.4亿年前的祖龟(Pappochelys),也登上了《天然》杂志[6]。与齿龟比拟,祖龟口中的牙齿更多,体型更小,其成体体长仅20厘米。它既无背甲也无腹甲,腹部骨骼刚刚开端归并,肋骨加宽,比齿龟更原始。

  但惋惜祖龟骨化石太零散,研讨中不免有客观性的骨骼回复复兴,其实难以让人佩服,乃至有的古生物学家狐疑它并非龟。

Pappochelys祖龟,Pappo是“爷爷”的意思。发明于德国西南部,斯图加特邻近,珍藏于斯图加特天然汗青博物馆。图片来源:Stuttgart Natural History MuseumPappochelys祖龟,Pappo是“爷爷”的意思。发明于德国西南部,斯图加特邻近,珍藏于斯图加特天然汗青博物馆。图片来源:Stuttgart Natural History Museum

  2018年8月,异样来自中科院古脊椎所李淳和吴肖春主导的团队,异样是在贵州关岭,一只新的龟类化石横空出世——它便是始喙龟(Eorhynchochelys)

  这一次,来自贵州的第二只“中华神龟”也再度登上了《天然》杂志[7]。这只长达两米、保留完备的海怪,是破解龟类来源“悬案”的症结一环。

 Eorhynchochelys始喙龟,Eo是“肇端”的意思,rhyncho是“喙”,也发明于中国贵州关岭,珍藏于三亚海洋古生物博物馆(筹建中)。图片来源:中国科学院古脊椎动物与古人类研讨所Eorhynchochelys始喙龟,Eo是“肇端”的意思,rhyncho是“喙”,也发明于中国贵州关岭,珍藏于三亚海洋古生物博物馆(筹建中)。图片来源:中国科学院古脊椎动物与古人类研讨所

  要弥补归类演变的空白,古生物学家们必需找到一只丧失了部门牙齿、肋骨加宽但没有腹甲、脊椎数量比当代的龟要多、长着长尾巴等过渡特性的古龟化石,而始喙龟正好具备了这些特色。这种“怪样子”的样子容貌,让始喙龟看起来像分歧生物的“嵌合体”。

  先来看看头部。始喙龟三角形的脑壳神似鸮头,前颌骨和齿骨的前端牙齿退步,外面有不规则的刻点,很能够长着似鸟喙的角质喙。这使它成为了第一只吻端牙齿消散并长出角质喙的龟类,比它陈旧的祖龟和更年青的齿龟的嘴里都长满了牙。可见,在龟类演变进程当中,牙齿的退步和呈现,不止产生过一次。

始喙龟化石头骨后头,只保留了右半边脸,穿过眼眶能看到腭面的牙齿。来源:改动自参考文献[7]始喙龟化石头骨后头,只保留了右半边脸,穿过眼眶能看到腭面的牙齿。来源:改动自参考文献[7]

  再看身上的壳。始喙龟具备龟的体态,颈椎与背椎数量绝对其余爬虫类已显著削减,12对肋骨向后头排开,而没有围拢成胸腔,且各自先后加宽,构成叶状。它的龟壳已初具雏形,腹甲缺失,背甲照样“半成品”。

  末了看尾巴和四肢。始喙龟的尾部长而细弱,似蟒蛇,尾椎多达56节,注解晚期的龟类有细弱的长尾巴,和海鬣蜥相似。它的四肢很细弱,脚掌宽大并且有利爪。始喙龟长长的尾巴得当泅水,而壮实的四肢又能够支持身材,爪子大概能用来发掘。可见始喙龟是相似咸水鳄异样的两栖型爬虫类,这注解龟类既不是来源于海洋,也不是来自于海洋,而能够诞生在海滨情况。

  两亿年前的三叠纪期间,中国南边处在特提斯洋的东岸,经过了白云苍狗的地质变迁,海底沉积物被抬升剥蚀,构成为了峰丛林立的喀斯特地貌,坐落于现在的云贵高原。往日畅游古洋的海怪,此时则隐匿于山野。

始喙龟头部回复复兴图。画图:陈瑜,来源:中国科学院古脊椎动物与古人类研讨所始喙龟头部回复复兴图。画图:陈瑜,来源:中国科学院古脊椎动物与古人类研讨所
始喙龟生态回复复兴图。画图:陈瑜,来源:中国科学院古脊椎动物与古人类研讨所始喙龟生态回复复兴图。画图:陈瑜,来源:中国科学院古脊椎动物与古人类研讨所

  综上所述,始喙龟这一奇怪“嵌合体”,在状态上起到了承先启后的过渡感化,弥补了牙齿退步、肋骨加宽、脊椎数量缩减等状态空白,还表示着龟类很能够来源于水陆接壤的情况。

  它的呈现,也终究把龟类来源的化石证据,从点连成为了线,让人们清楚的看到了“祖龟——始喙龟——齿龟——原颚龟”,这条“祖孙四代”的完备演变序列,也阐明龟类看似“忽然呈现”的奇特身材结构,是一步一步垂垂改变而来,“有希望的怪物”,生怕也不那末怪了。

  困扰咱们两百年的龟类来源和晚期演变汗青,因为来自中国的症结化石,正日趋清楚。

  亚欧大陆器械两头,中德两支顶级古生物团队,好像妙手过招,轮番在两国西南部——贵州和斯图加特,年月相近的地层里瓜代“抽牌”,拼出一张龟类晚期演变的图谱。也能说得上是无巧不成书,无奇不注视了!

 
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