填补进化的空白填补进化的空白隐性听力损失揭示隐性听力损失揭示

从帮助长颈鹿爬上树梢的长脖子,到帮助猎豹在三秒钟内从0爬到60的柔韧脊椎,哺乳动物不仅具有象征意义上的脊椎骨,而且更重要的是,它们具有字面意义上的脊椎骨。但他们并不总是这样。

哈佛大学研究人员和菲尔德自然历史博物馆的合作者在《自然生态与进化》杂志上发表的一项新研究揭示了哺乳动物脊椎的变化是如何以及何时发生的。副教授,有机和进化生物学和馆长古脊椎动物斯蒂芬妮·皮尔斯和博士后研究员卡特里娜琼斯发现发展变化和适应压力合弓纲刺的,哺乳动物的灭绝的先驱,奠定了基础骨干看到今天在哺乳动物的多样性。

使用一种新颖的组合技术,包括生物力学实验在两个现代动物的尸体,一只猫和一只蜥蜴,合弓纲化石和CT扫描,研究人员能够拒绝传统观念的逐步发展的不同区域(或独立的部分)脊柱仅占其演进的复杂性。相反,他们的证据表明,早在新的脊柱功能(如弯曲和扭转)出现之前,一些区域(如胸部和下背部)就已经进化了。这项研究指出,正确的选择压力或动物行为与这些已经存在的区域相结合,在它们独特功能的进化中扮演了重要的角色。

这些发现揭示了一个更大的问题:哺乳动物,包括人类,是如何在数百万年里进化的。例如,今天的哺乳动物已经发展出了具有许多不同形状和功能的分隔的脊髓区域,而不影响其他脊髓区域。琼斯是这项研究的主要作者,他说,这使得动物能够适应不同的生活方式。

在之前的一项研究中,作者指出,在进化过程中,已经灭绝的前哺乳动物进化出了这些小而独特的区域。皮尔斯说:“我们在2018年能够证明的是,尽管所有的椎骨在早期哺乳动物祖先身上看起来非常相似,但它们之间存在着细微的差异,而这些细微的差异创造了截然不同的发育区域。”“我们通过这项新研究表明,这些不同的区域非常重要,因为它们提供了促进功能分化发生的原材料。基本上,如果你没有这些明显的发育区域,而且有选择压力,所有的椎骨都会以同样的方式适应。”

长期以来,人们一直认为发展不同的脊柱区域是进化具有多种功能的脊柱的重要一步,但皮尔斯和琼斯证明这是不够的。进化的触发也是需要的,在这种情况下,一种高度活跃的生活方式的进化,对脊椎骨提出了新的要求。

“我们试图解决一个相当基本的进化问题:一个相对简单的结构如何进化成一个可以做很多不同事情的复杂结构?””琼斯说。“这是由与动物行为相关的发展限制或自然选择决定的吗?”

研究人员对两种动物的脊椎进行了比较,这两种动物的脊椎基本上处于进化和解剖学谱系的两端:一种是猫,它们的脊椎区域高度发达;另一种是蜥蜴,它们的脊椎非常均匀。

他们观察每只动物的脊椎关节如何向不同方向弯曲,以测量脊椎的形状如何反映它们的功能。

他们断定,虽然某些脊髓区域的功能各不相同,但其他区域则不然。例如,蜥蜴的脊椎骨由几个不同的区域组成,但它们的活动方式是相同的。

包括来自菲尔德自然历史博物馆的Kenneth Angielczyk在内的研究人员随后将他们的研究重点转向找出哺乳动物进化中不同区域何时开始承担不同的功能。他们用猫和蜥蜴的数据表明,如果脊椎的两个关节看起来不同,它们往往有不同的功能。据此,他们绘制出了这些化石中脊髓功能随时间的变化。

Angielczyk说:“考虑到哺乳动物生活在大约3.2亿到2.5亿年前,哺乳动物最早的祖先拥有非常好的化石记录。”

研究人员发现,尽管哺乳动物的发育区域能够执行不同的功能,但直到突触体进化的后期,哺乳动物的功能变异才开始出现。

琼斯说:“我们接着假设,可能是一些新的哺乳动物行为的进化,帮助触发了(在这些晚期突触类动物中)这种现象,并提供了自然选择,可以利用已经存在的区域。”

他们的发现符合这样一个事实,即产生这种功能多样性的类群——犬齿类,存在于大约2.5亿年前,直接在哺乳动物之前——具有许多哺乳动物的特征,包括它们能像哺乳动物一样呼吸的证据。研究人员认为,这些类似哺乳动物的特征将呼吸的工作从脊椎和肋骨转移到新进化的横膈膜肌肉,使脊椎摆脱了古老的生物力学约束。这使得脊椎骨能够适应有趣的新行为,比如梳理毛发,并承担新的功能。

皮尔斯和琼斯还不知道这些已经灭绝的动物的功能是什么样子的,但是他们计划把重点放在未来的研究上。

“这绝对不是故事的结尾,”琼斯说。

这项研究得到了国家科学基金会和AAA博士后奖学金的资助。

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