贪吃才会赢：白垩纪鸟类前齿骨研究取得新进展
2019/11/20 7:00:00 科学大院
上世纪八十年代，美国堪萨斯大学的古鸟类学家拉里·马丁(Larry D. Martin)首次在白垩纪今鸟型类化石中观察到了齿骨边缘的一个小小骨茬。根据它所在的位置，马丁将其命名为前齿骨。
今鸟型类是中生代最为进步的鸟类支系，现生鸟类就是从中演化而来。直至今日，除了在中生代今鸟型类(如燕鸟、义县鸟、红山鸟等)中发现了前齿骨，无论是在更原始的类群(比如始祖鸟，孔子鸟或者反鸟类)，还是在现生鸟类里，都再也追寻不到前齿骨的踪影，因此可谓“空前绝后”。
这块奇特的小骨头就像是谱写在演化史上神秘而孤立的一章。当前学术界对于这块小骨头的研究，也仅停留在简要的描述阶段，并不了解其来源以及功能。
而马丁的学生——曾经在堪萨斯大学获得博士学位、现如今为中科院古脊椎动物与古人类研究所研究员的周忠和，却从未停止对它的好奇和探究。11月18日，《美国科学院院刊》(PNAS)在线发表了周忠和、Alida Bailleul团队的研究成果，有望揭开这块神秘骨头的面纱。
神秘小骨头的存在竟是为了获取食物？
本次研究的材料——热河生物群的马氏燕鸟(Yanornis martini)化石，发现于中国辽宁省西部朝阳市的九佛堂组，种名“马氏”就是为了纪念首次命名前齿骨的古生物学家马丁。燕鸟的大小与白鸽接近，头骨很长，嘴里约有30颗牙齿。从燕鸟胃部残留的鱼类骨骸推测，鱼类可能是燕鸟的主要食物来源。
此次，当研究者运用骨骼形态观察、显微CT以及nano-CT断层扫描重建、古组织学切片、扫描电子显微镜分析等多种手段分析前齿骨时，他们在前齿骨以及齿骨之间发现了特殊的关节软骨存在的痕迹。
关节软骨痕迹 (图片来源：Bailleul et al.,PNAS, 2019)
关节软骨的存在表明，前齿骨可能通过此关节与齿骨相连，并受下颌神经分支的控制。这个关节可以增加下颌的活动性，而这种增强的活动性显然与鸟类的取食功能有关。显然，可动的下颌使得鸟类在猎食的时候拥有了更高度的灵巧性，因此，这一只马氏燕鸟在捕食它生命中“最后的晚餐”——某条鱼的时候，前齿骨无疑发挥了一定的作用。
马氏燕鸟复原图 (图片来源：论文作者提供)
前齿骨的“前身”
基于化石以及已有的现生鸟类的胚胎发育的研究数据，研究人员对前齿骨的来源也进行了探讨。
首先，在现生鸟类齿骨骨骼形成的发育过程中，并没有前齿骨发育的任何线索；其次，研究者推测前齿骨与麦氏软骨(Meckel’s cartilage, 也称第一鳃弓软骨或下颌软骨)的发育也无直接关系，而应该属于籽骨(Sesamoid bone)一类的骨骼。
从解剖学上讲，籽骨是嵌入肌腱内的骨骼。在人体内，籽骨通常可见于跨关节的肌腱处(如手、膝、足等部位)，一般起到保护肌腱和提高其机械性的功能(例如存在于膝关节的髌骨)。而前齿骨就可能起到了相类似生物力学作用。一般情况下，籽骨都生长在头后骨骼部分，但是也有特殊情况，比如北岛垂耳鸦的头骨内下颌关节部分，就长有三块籽骨。而前齿骨，可能就是这种长在头骨的特殊籽骨。
也就是说，前齿骨并非起源于颌骨中任何已有的骨骼，它的出现代表今鸟类演化的一个特有支系中的创新特征。但是鉴于前齿骨的化石很小，保存也更为罕见，这一推测仍有待进一步研究予以验证。
特殊的“头骨可动性”
除了关节软骨，研究者还在前齿骨的组织切片里，发现了角质喙存在的证据。
角质喙主要存在于现生鸟类，保护着齿骨和上颌骨的最前端。马氏燕鸟的前齿骨很可能曾经被角质喙所包裹。不仅如此，前齿骨的存在和今鸟类嘴部最前端的缺齿性有一定的关联，在上前颌骨末端与与前齿骨相互咬合的部分，牙齿显然是缺失的，这部分可能和前齿骨一样，也被角质喙所包裹，并能够感知外界的受力激发的信号。
马氏燕鸟 (IVPP V13358)头骨前部照片。红箭头为前齿骨，蓝箭头是和前齿骨咬合的前上颌骨的缺齿部位。(图片来源：Bailleul et al.,PNAS, 2019)
五彩金刚鹦鹉的头骨可动性3D示意图
(图片来源：https://sketchfab.com/3d-models/scarlet-macaw-cranial-kinesis-animation-5a21c8c4c0ac4eb8a98323ed24d68e75)
“头骨可动性”是主要发生在头骨内上颌和脑颅之间的运动，在现生鸟类中很普遍，许多鸟类在前颌骨、鼻骨、额骨关联处可以发生一定程度的相对运动。这一特征可能是鸟类能够演化至今的重要优势之一，但是相关证据在白垩纪的古鸟类中却很少出现。
本次研究证明，马氏燕鸟上颌骨末端的角质喙、前齿骨、牙齿、齿骨，展现了一种极具特色、但是已经不复存在的、高度灵活的白垩纪古鸟类头骨可动性(cranial kinesis)。这种特殊的“头骨可动性”可能仅仅局限在灭绝的今鸟型类化石中，并且从早白垩世一直持续至晚白垩世。遗憾的是，在之后的演化过程中，这种方式逐渐消失，而这一特殊的“头骨可动性”究竟是如何运作的，成为一道新的科学难题。
不过，本次研究已经显示出将高精度显微CT数据与古组织研究结合的学术潜力。也许在未来，类似的演化难题有望被研究者们逐一解答。
参考文献:
1.Martin L (1987) The beginning of the modern avian radiation. Documents des Laboratoires de Géologie de Lyon 99:9-19.
2.Zhou Z & Martin LD (2011) Distribution of the predentary bone in Mesozoic ornithurine birds. Journal of Systematic Palaeontology 9(1):25-31.
3.Cunningham SJ, et al. (2013) The anatomy of the bill tip of kiwi and associated somatosensory regions of the brain: comparisons with shorebirds. Plos One 8(11):e80036.
4.Bailleul AM, Hall BK, & Horner JR (2012) First Evidence of Dinosaurian Secondary Cartilage in the Post-Hatching Skull of Hypacrosaurus stebingeri (Dinosauria, Ornithischia). Plos One 7(4):e36112.
6. 5. Bailleul AM, Li ZH, O’Connor JK, & Zhou ZH (2019) Origin of the avian predentary and evidence of a unique form of cranial kinesis in Cretaceous ornithuromorphs.PNAS.DOI: 10.1073/pnas.1911820116
7. 维基百科
本文由科普中国融合创作出品，栗静舒制作，中国科学院计算机网络信息中心监制，“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌
版权说明：未经授权严禁任何形式的媒体转载和摘编，并且严禁转载至微信以外的平台!
注意啦!微信又更新啦!用户可以设置常读订阅号，这些订阅号将以大卡片的形式展示，为了不错过大院每天的精彩文章，请按下列操作“星标”我们吧：
进入“科学大院”公众号——点击右上角的…菜单——选择“设为星标”
文章首发于科学大院，转载请联系cas@cnic.cn
大院热门文章top榜
点击文章标题，可直接阅读哦~
1. 病毒学标志性成果!中国科学家揭开非洲猪瘟病毒的神秘面纱
2. 精准消灭癌细胞，这种设备中国自己造出来了!
3. 尿液蒸干后得到的物质会发光？古人进行了一项匪夷所思的实验
4. 目标诺奖!学渣逆袭全攻略
5. 它是臭名昭著的兴奋剂，也是诺奖梦开始的地方
6. 只是发现了一颗星，凭什么得了诺贝尔奖？
7. 诺奖清流解读 | 细胞里与氧气有关的那双“手”
8. 攻破世界难题，中国超级风洞的来龙去脉
9. 22年前，香港“准时”回归，是怎么实现“准时”的?
10.如若当初他能留下来，是否会摘得诺奖的桂冠呢？
科学大院是中科院官方科普微平台，由中科院科学传播局主办、中国科普博览团队运营，致力于最新科研成果的深度解读、社会热点事件的科学发声。
转载授权、合作、投稿事宜请联系cas@cnic.cn
我知道你在看我
http://weixin.100md.com
返回 科学大院 返回首页 返回百拇医药