中国科学家证实鸟舌的骨化与飞行有关

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2018-07-09

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  新华社北京6月30日电(记者屈婷)从恐龙到鸟,一直是进化树上最引人关注的谜。 近日,中国科学家从一些罕见带有舌骨的热河恐龙化石上得出诸多颠覆性的“新知”:可能由于获得了飞行能力,鸟类的舌头才开始渐渐骨化、并逐渐可以伸出口腔,方便它们采食;这一进化革命发生在距今到亿年前的白垩纪早期,最早的“证据”来自小盗龙和孔子鸟。   这些成果来自中国科学院古脊椎动物与古人类研究所李志恒团队和美国德州大学奥斯汀分校学者的合作研究。

李志恒采取了一种非常前沿的技术手段——肌肉造影方法,来研究恐龙和鸟类的舌头。 他想知道:两者的舌骨和肌肉如何相互作用,又产生了哪些功能?  为此,李志恒团队先解构了13种现代鸟类和3个短吻鳄的标本,了解到鸟类舌骨最独特的地方在于:其骨质的部分几乎延伸到舌头的最前端。

换句话说,包括人类在内的哺乳动物舌头柔软无骨,而鸟类则都有一条坚硬、灵活的舌头。

  图为舌骨化石在主龙化石里的保存,其中A是前鼻短吻鳄;B为辽西翼龙;C是玩具翼龙,D是热河龙,E是羽王龙,F是中华龙鸟。

  众所周知,舌头是取食的关键器官,同时影响着呼吸功能。 在进化的道路上,鱼类“登陆”成为陆地脊椎动物时,舌头的出现毫无疑问应该位列“革命性的事件”之一。 当陆地脊椎动物演化成不同物种时,它们的取食、呼吸方式也随之不同,舌头和舌骨也发生变化。

  对于鸟类而言,李志恒的研究显示:随着现代鸟类取食方式的变化,它们的舌骨也高度分化,显示出多种与取食相关的适应性特征。 比如,蜂鸟用水泵一样的舌头来吸食花蜜,因为它们的角舌骨和上舌骨是如此超长,可以帮助它们轻松地把舌头伸出很长,直到花蕊中去。   但这项研究最有价值之处,是李志恒比对上述现生动物舌器和骨骼的对应关系,“还原”出已灭绝的恐龙和原始鸟类舌头究竟是如何一步步骨化的。

这项研究工作耗时日久,并且需要极为罕见的舌骨化石材料。   幸运的是,中国热河生物群是早期鸟类演化的“化石宝库”,特异的埋藏环境让纤细的舌骨也保存下来。 李志恒研究了11个化石种类的舌骨,包括小型的似鸟恐龙、翼龙甚至暴龙,同样用肌肉造影方法、X射线断层扫描获得了高精度的三维图像,把它们放在进化树的谱系中一一比对。   一种演化趋势因此清晰可辨:随着飞行能力的获得,一些似鸟恐龙已经不能用“手”来处理食物,这时候舌头就逐渐成为重要的处理食物的辅助工具。 舌头变得越来越灵活、坚硬,两边的舌骨就越来越长,直到在舌头前端慢慢合拢,产生了一个新的骨化中心——基舌骨。   图为舌骨在鸟类化石和小盗龙里的保存。 其中A是小盗龙,B是反鸟,C是孔子鸟,D是红山鸟,绿色的箭头指示了最早的上舌骨的保存,蓝色的箭头指示了最早的基舌骨在孔子鸟和红山鸟里的发现。

  李志恒说,基舌骨是支撑鸟类舌头最主要的一块骨头。

那么,类似鸟类的基舌骨最早出现在哪一只恐龙身上呢?答案是小盗龙——一种跟鸟关系很近的恐龙。

到了早期的原始鸟类——孔子鸟,基舌骨的骨化已经清晰可见。 这意味着,恐龙在向鸟演化的过程中获得了复杂、灵巧的骨质舌器。

李志恒认为,这一“鸟类演化的关键一步”发生在距今到亿年前的白垩纪早期。   从取食的角度来说,有了基舌骨,似鸟恐龙才得以伸出舌头去获取种子、昆虫等。

像短吻鳄那样短的舌骨,显然舌头是无法灵活地伸出去的,只能固定在口腔底部。

于是,一个“无心插柳”的发现是:像电影那样张开血盆大口、舌头滴答着口水的霸王龙,从科学证据看,那是不可能的。

  以前,古生物界对于鸟类舌骨的分化和变异,很少从进化的角度去解释。 而李志恒团队提出的“新知”——由于鸟类飞行导致新的取食方式,促进了舌骨的分化和活动性等,无疑具有颠覆性。   “舌骨的出现和分化对于人们理解鸟类演化具有重要意义,”李志恒说,但更多的谜题还等待破解,比如鸟类独特的呼吸和发声方式与舌骨有何关联?“由于化石证据的缺失,这些鸟类演化中关键特征的发生和改变时间还需要进一步确认。 ”  (文中图片均由中科院双古所供图)。