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解析鳥類頭骨結構和可動性演化:嵌在恐龍頭骨上的鳥頭

發表日期:2021-06-23來源:放大 縮小

  近日,《自然通訊》(Nature Communications)發表了由中國科學院古脊椎動物與古人類研究所獨立完成的有關原始鳥類頭骨演化的研究。論文作者王敏(第一作者/通訊作者)、托馬斯、李志恒、徐星、周忠和通過CT掃描和三維重建,首次復原了中生代反鳥類近乎完整的頭骨,顯示了鳥類頭骨鑲嵌演化,揭示了現生鳥類頭骨的主要形態功能特征出現的時間要比已有的認識更晚。 

  鳥類是目前世界上物種和生態多樣性最高的陸生脊椎動物。其演化如此成功,一個關鍵因素便是鳥類頭骨具有獨特的可動性:多數鳥類的上頜可獨立于下頜和腦顱進行活動,有利于鳥嘴完成大量精細的動作(如啄取大小形態不一的食物、筑巢等)。從某種程度來講,鳥嘴就像其它脊椎動物的手一樣。鳥類頭骨可動性的發生依賴于兩個通道:由方骨-顴骨-方顴骨-上頜關聯而成的頭骨“側面通道”,和由方骨-翼骨-顎骨-犁骨在腭面構成的“腭部通路”。當方骨轉動,相應的肌肉和力便通過這兩個通路控制上頜的開閉。受化石保存的原因,上述通路在鳥類演化歷史中是何時出現的尚不清楚,這直接影響了對鳥類頭骨可動性起源的研究。 

  古脊椎所研究團隊對一件距今1.2億年的反鳥類幼年個體進行了高精度CT掃描和重建,對近乎所有的頭骨骨骼進行了三維復原,尤其是構成頭骨可動性通道的骨骼(圖1–3)。結果顯示,該反鳥類的顳區和腭區結構和非鳥類獸腳類恐龍幾乎完全相同,如同把一只鳥的嘴巴和眼眶套在一只恐龍腦顱上。CT復原顯示該反鳥類保留了主龍類原始的顳區結構上、下顳孔相互獨立,并且和眼眶完全分離。這樣的結構限制了顴骨-方顴骨的運動,顯示“側面通道”并不發育。對該反鳥類腭區復原顯示它的基蝶骨-副蝶骨和獸腳類恐龍,如恐爪龍、凌河盜龍一樣,具有發達的基翼骨突,從而與翼骨相關節。而翼骨更是匪夷所思地和凌河盜龍完全相同:在翼骨后緣發育一個向背側延伸、雙分叉狀的方骨支,這樣的翼骨形態與現生鳥類大相徑庭。同時,方骨內側面并不發育和翼骨相關節的關節突。這表明現生鳥類所具有的翼骨-方骨關節在這一反鳥類中并不發育,該化石鳥類的腭部骨骼形態表明“腭部通道”同樣并未出現。這是研究人員首次在一件中生代鳥類標本上復原了近乎完整的腭部結構。而此前,多數學者普遍“默認”中生代鳥類的翼骨和方骨如同在現代鳥類那樣是直接關節的;本次研究對這一假說提出了質疑。 

  本項研究清楚的顯示了現代鳥類頭骨可動性在反鳥類中并不發育,這一進步特征是在更靠近冠群的類群中才出現。反鳥類相對保守且原始的腭區很有可能“抵消了”其吻部多樣性分異帶來的潛在優勢,這也反映在反鳥類的食性/生態習性單一上,一定程度上解釋了為什么曾經在中生代繁盛的反鳥類會在白堊紀末期絕滅。本項工作提出鳥類頭骨可動性的演化經歷了四個重要的轉變:翼骨和方骨之間以踝關節的方式直接關聯;翼骨的方骨支、基翼骨突、和外翼骨發生退化(圖4);這些轉變有可能最早發生在今鳥型類的早期類群中。只有“擺脫”上述恐龍典型的頭骨結構的束縛,輔以吻部多樣性的演化,才出現了現生鳥類形態各異的頭骨形態和功能,以便進入不同的生態位。上述發育模塊化和限制,生態機會,和自然選擇之間的動態相互作用,決定了中生代鳥類不同類群的演化軌跡。 

  本研究得到了中國科學院前沿科學重點研究計劃從“01”原始創新十年擇優項目,和基礎科學中心項目“克拉通破壞與陸地生物演化”的支持。

  論文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-021-24147-z    

1. 早白堊世反鳥類CT復原(王敏供圖)

2. 反鳥類頭骨面部骨骼CT復原,顯示其具有主龍類原始的雙顳孔結構(王敏供圖)

3. 反鳥類頭骨腭部骨骼CT復原,顯示其腭部與獸腳類恐龍幾乎相同(王敏供圖)

4. 鳥類頭骨演化簡圖(a–d:與頭骨可動性相關的關鍵結構變化)(王敏供圖)

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