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中國(guó)掘獸（上）和陳氏掘尖齒獸生態(tài)復(fù)原圖???趙闖繪

■本報(bào)實(shí)習(xí)生 張思璇 記者 胡珉琦

手能抓握、腰可挺直……人類的脊椎究竟是如何通過(guò)與環(huán)境的相互作用演化來(lái)的，這個(gè)問(wèn)題還得從上億年前的哺乳形動(dòng)物化石中找尋答案。

4月7日，由中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所（以下簡(jiǎn)稱古脊椎所）、美國(guó)自然歷史博物館的研究人員發(fā)現(xiàn)的、來(lái)自早白堊紀(jì)（約1.3億~1.1億年前）的三列齒獸中國(guó)掘獸和真三尖齒獸陳氏掘尖齒獸登上了《自然》雜志。研究人員把它們和現(xiàn)生動(dòng)物進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)了哺乳動(dòng)物脊柱的多型性及因此產(chǎn)生物種多樣性的原因。

哺乳形動(dòng)物趨同演化的證據(jù)

這兩個(gè)哺乳形動(dòng)物新種來(lái)自“世界級(jí)化石庫(kù)”——中國(guó)遼西熱河生物群。其中，中國(guó)掘獸的標(biāo)本不僅保存著已報(bào)道的三列齒獸類中最完整的頭后骨骼，還是熱河生物群中首次發(fā)現(xiàn)的基干哺乳形動(dòng)物化石。

“中國(guó)掘獸是哺乳形動(dòng)物，但不是傳統(tǒng)意義上的哺乳動(dòng)物，而是與其親緣關(guān)系較近的似哺乳爬行動(dòng)物?！闭撐耐ㄓ嵶髡咧弧⒚绹?guó)自然歷史博物館研究員孟津指出，哺乳形動(dòng)物是一個(gè)更廣泛的概念，是在系統(tǒng)發(fā)育框架上以中國(guó)掘獸所在的三列齒獸類為節(jié)點(diǎn)界定的，也包括現(xiàn)生哺乳動(dòng)物這一分支。

論文第一兼共同通訊作者、古脊椎所副研究員毛方園告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，陳氏掘尖齒獸屬于哺乳動(dòng)物，所以從系統(tǒng)發(fā)育角度來(lái)看，中國(guó)掘獸和陳氏掘尖齒獸雖然生活在近似時(shí)代，但親緣關(guān)系卻相隔甚遠(yuǎn)。

“有意思的是，它們的骨骼形態(tài)又有很相似的地方，比如都具有明顯適應(yīng)掘土、穴居生活的肢骨特化，這也是熱河生物群中首次發(fā)現(xiàn)的前爪挖掘型穴居哺乳形動(dòng)物?！泵綀@說(shuō)。

從形態(tài)上看，這兩種動(dòng)物的肢骨特別是前肢粗短，前爪顯得更為寬闊，爪子長(zhǎng)而結(jié)實(shí)。它們的軀干較長(zhǎng)，脖子短粗有力，尾巴小，這些外形特征都可以有效減少阻力，為挖掘提供方便。

研究人員認(rèn)為，這些都是挖掘型穴居動(dòng)物肢骨常見(jiàn)的適應(yīng)性變化，也是兩個(gè)物種趨同演化的證據(jù)之一。

“目前中國(guó)掘獸和陳氏掘尖齒獸代表了它們各自類群中首次知道的挖掘穴居生活類型，這代表早期哺乳形動(dòng)物的適應(yīng)演化已經(jīng)涉及到現(xiàn)今哺乳動(dòng)物中見(jiàn)到的挖掘、穴居生活類型，也體現(xiàn)了早期哺乳動(dòng)物和相關(guān)類群演化適應(yīng)的多樣性?！泵辖虮硎?。

哺乳動(dòng)物的脊柱為什么不同

除了穴居這個(gè)共同點(diǎn)，中國(guó)掘獸和陳氏掘尖齒獸還有一大共性是與脊柱有關(guān)的，那就是薦前椎數(shù)的增加。薦前椎數(shù)指的是胸椎、腰椎、薦椎數(shù)量的總和，它的變化原因非常復(fù)雜。

毛方園介紹，從演化發(fā)育的角度來(lái)看，哺乳動(dòng)物脊柱的變化主要體現(xiàn)在脊椎的形變和量變上。

形變是指相鄰兩區(qū)的脊椎在形態(tài)和功能上的替換，涉及脊柱的形態(tài)功能分區(qū)主要有頸椎、胸椎、腰椎、薦椎和尾椎，它主要受同源異形（Hox）基因組的調(diào)控，其中，薦前椎體主要受hox4-11基因的調(diào)控；而量變指的是脊椎數(shù)量的變化，受體節(jié)發(fā)育中的分節(jié)時(shí)鐘控制。分節(jié)時(shí)鐘呈一種周期性的振蕩表達(dá)模式，周期快慢控制體節(jié)數(shù)量和大小，進(jìn)而決定了脊椎數(shù)量的多少。

研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)頸椎數(shù)和薦前椎數(shù)的比例（CP）可以估測(cè)化石中脊椎的形變和量變。當(dāng)這個(gè)比例變小而薦前椎體數(shù)增加時(shí)，脊椎形變和量變便同時(shí)發(fā)生。

“中國(guó)掘獸具有已知哺乳形動(dòng)物最小的CP值，但它的薦前脊椎數(shù)卻是最大的，意味著中國(guó)掘獸椎體節(jié)數(shù)變化和椎體形變同時(shí)發(fā)生?！泵綀@解釋，掘尖齒獸也有類似的情況，但變化程度較低。

這項(xiàng)研究通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，哺乳形動(dòng)物化石的脊椎數(shù)量、形態(tài)變化和現(xiàn)生哺乳動(dòng)物有類似的變化范圍?！斑@表明現(xiàn)生哺乳動(dòng)物中觀察到的受基因調(diào)控的發(fā)育機(jī)制具有一定程度的可塑性，這個(gè)機(jī)制在哺乳動(dòng)物的共同祖先甚至更早類群中就已形成。”孟津表示。

此外，研究人員推測(cè)，從生物演化上看，物種脊椎數(shù)量和形態(tài)上的變化也和它們適應(yīng)環(huán)境的能力有關(guān)。比如，行動(dòng)緩慢的物種，脊椎數(shù)量趨于明顯增加，而貓科動(dòng)物等快速奔跑時(shí)背部需要大幅運(yùn)動(dòng)的物種，脊椎數(shù)量趨于穩(wěn)定，因?yàn)榧棺禂?shù)量過(guò)多不利于快速奔跑。

“發(fā)育機(jī)制的可塑性和生態(tài)環(huán)境造成的壓力，共同對(duì)哺乳形動(dòng)物脊柱形態(tài)多樣性演化起到了關(guān)鍵作用?！泵綀@說(shuō)，“但化石里也存在一些發(fā)育生物學(xué)還不能解釋的現(xiàn)象，還有一些未知的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)理，需要今后不斷去探索解決?！?/p>

她表示，現(xiàn)階段該研究還停留在報(bào)道新標(biāo)本等基礎(chǔ)層面，未來(lái)在兩個(gè)標(biāo)本的具體形態(tài)方面還有很多研究空間，也可以借助生物統(tǒng)計(jì)學(xué)等輔助手段進(jìn)行更深入細(xì)致的研究。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03433-2