在從爬行動物到哺乳動物的演化過程中,有兩個最為重要的形態和功能變化,表現在牙齒從簡單到復雜以增加食物的攝取能力,下頜頭骨關節變為中耳聽骨組合以提高聽覺效力。近期,中國科學院古脊椎動物與古人類研究所毛方園研究員、張馳研究員,聯合內蒙古自然博物館、雲南祿豐國土資源局和楚雄化石研究中心,以及美國和澳大利亞研究人員,在對中國雲南祿豐、內蒙古燕遼生物群的侏羅紀哺乳動物的研究中,報道了來自中國的兩種侏羅紀哺乳動物化石,揭示了哺乳動物最早的牙齒分化、中耳和頜關節的轉化。

這兩個研究為哺乳動物同源關係提供了新的視角,並重塑了早期哺乳動物的系統發育。兩篇研究論文於2024年4月3日在國際期刊《自然》上同期發表。

蜀獸是侏羅紀早期小型哺乳動物,具有特殊的假磨楔齒,即其下臼齒三角座前面有一個「假跟座」(盆狀結構)。相較之下,哺乳動物的臼齒具有磨楔齒,其跟座位於三角座後面,接收上臼齒的原尖,並與上牙形成精確咬合,用於食物的加工/咀嚼。蜀獸曾在系統發育上與南方磨楔齒獸(Australosphenidans,包括現存的單孔目動物和近親)關係更近,但這種系統關係是有爭議的,並且在哺乳動物的研究中留下了一些形態學、古地理和功能等令人困惑的問題。

在第一篇論文中,研究人員對內蒙古道虎溝中侏羅世(1.68-1.64億年前)的兩個標本進行了研究,建立了蜀獸的一個新屬種,周氏近柱齒獸( Feredocodon chowi )。根據完整的牙列、咬合關係和牙齒序列同源性的證據,研究人員提出了一種新的解釋:蜀獸的假磨楔齒實際上與另一種已滅絕的哺乳動物柱齒獸(Docodonta )的臼齒模式是同源的。根據修正後的牙齒特徵重建的系統發育分析結果表明,一個類似摩根齒獸的祖先獨立地產生了三個主要的哺乳動物類群:柱齒形獸(Docodontiformes,包括柱齒獸和蜀獸),異獸(Allotheria)和全獸(Holotheria,包括對稱齒獸,獸類和近親)。早期哺乳動物臼齒進化方向是,由類似於摩根齒獸( Morganucodon )的三尖一排的牙齒形式,在三個大類中以不同的方式,逐漸變寬變複雜,以適應更有效的食物加工。論文研究對單孔類(現生動物代表如鴨嘴獸等)的起源提出了新的觀點,改寫了哺乳動物生命樹早期演化的結構。

在第二篇論文中,重點研究了來自中國祿豐早侏羅世(2.01-1.84億年前)的第二種新的、更原始的類似摩根齒獸的哺乳動物,楊氏滇尖齒獸( Dianoconodon youngi ),和上述周氏近柱齒獸的中耳。眾所周知,一些早期哺乳動物有雙頜關節,隨著時間的推移,內側的原始頜關節的組分演變成了中耳的一部分,這些化石記錄了這種轉變的過程。兩個屬種下顎的不同特徵顯示:下顎其中一個關節逐漸失去了承壓功能,而中耳開始漸漸適應了行使聽力功能。新的證據揭示了骨化的麥氏軟骨在中耳演化的過渡過程中起了一種穩定器的作用,而方骨的內側向位移則對起負重作用的頜關節轉換至中耳結構發揮了關鍵作用。該研究有力地支持了哺乳動物中耳漸進演化的觀點,並為哺乳動物中耳演化這個世界難題提供了以中國材料為基礎的完整證據鏈。

本研究中周氏近柱齒獸( Feredocodon chowi )和楊氏滇尖齒獸( Dianoconodon youngi )分別以周明鎮院士和楊鐘健院士的名字命名,以紀念兩位在早期哺乳動物研究中的貢獻。本研究得到了國家自然科學基金和中國科學院青年創新促進會的支持。

圖1. 週氏近柱齒獸及楊氏滇尖齒獸生態重建

圖2. 週氏近柱齒獸正、副型標本

圖3. 蜀獸牙齒咬合關係及兩種牙尖同源性假說:左(c, e)傳統認識;右(d, f)新觀點

圖4. 楊氏滇尖齒獸頭骨及齒列重建

圖5. 哺乳中耳漸進演化系統框架及顎關節轉移示意圖