東西問 | 王世騏:長頸鹿的脖子為什么那么長?
(東西問)王世騏:長頸鹿的脖子為什么那么長?
中新社北京6月3日電 題:王世騏:長頸鹿的脖子為什么那么長?
中新社記者 孫自法
在非洲大草原上和很多動物園里,長頸鹿總是以其長長的脖子引人矚目。長頸鹿的脖子為什么那么長?長脖子是如何演化出來的?這一公眾比較好奇的話題長期以來備受學(xué)界關(guān)注。
由中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所王世騏研究員、鄧濤研究員和該所客座研究員、美國自然歷史博物館哺乳動物部主任孟津領(lǐng)導(dǎo)的國際合作團隊,最新通過對發(fā)現(xiàn)于中國新疆、約1700萬年前一種奇異的早期長頸鹿“獬豸盤角鹿”化石展開持續(xù)深入研究,并對長頸鹿求偶斗爭和取食壓力兩種因素進行深度結(jié)合,確認(rèn)求偶競爭是長頸鹿長脖子演化的直接驅(qū)動力。
這一通過化石證據(jù)極大促進對長頸鹿長脖子演化認(rèn)知的重要研究論文,北京時間6月3日在國際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上線發(fā)表。發(fā)表前夕,論文第一作者和共同通訊作者、中科院古脊椎所古哺乳動物研究室主任王世騏研究員接受中新社“東西問”獨家專訪,解讀研究成果,科普長頸鹿長脖子演化的“前世今生”。
現(xiàn)將訪談實錄摘要如下:
中新社記者:普通人大多只關(guān)注到長頸鹿奇特頸部造型,它和包括人在內(nèi)的哺乳動物頸部在骨骼結(jié)構(gòu)上有何異同?其長脖子演化在學(xué)界有哪些觀點?
王世騏:長頸鹿雖與其它哺乳動物同樣僅具有7節(jié)頸椎,但每節(jié)平均長度超過30厘米,總長度可達2.5米,而與之體重相近的偶蹄類如水牛,頸椎長度僅5厘米左右,即使是長頸鹿唯一現(xiàn)生近親——中非森林里的㺢㹢狓,每節(jié)頸椎的平均長度也僅10多厘米。
長頸鹿的脖子如何變長是進化生物學(xué)的旗幟性論題,自拉馬克和達爾文時代便成為研究的焦點,“用進廢退論”和“自然選擇論”都在這優(yōu)雅的長脖子上生發(fā)演繹而來。雖然兩位泰斗對長頸鹿脖子伸長過程的認(rèn)識有較大分歧,但脖子伸長的動力是吃到高處樹葉的取食需求,兩人都沒有懷疑。
除取食需求外,其他相關(guān)因素也受到越來越多關(guān)注和研究。隨著對長頸鹿行為觀察的加深,科學(xué)家進一步認(rèn)識到,長頸鹿優(yōu)雅的長脖子還是雄性間求偶競爭的武器,脖子越長,對對手的傷害就越強烈。
1996年,開普敦大學(xué)的羅伯特·西蒙斯(Robert Simmons)和納米比亞埃托沙環(huán)境研究所的盧·西伯斯(Lue Scheepers)發(fā)表學(xué)術(shù)論文稱,長頸鹿的長脖子在取食方面的優(yōu)勢并不顯著,相反,長脖子特別有利于雄性長頸鹿在求偶競爭中獲得優(yōu)勢。他們認(rèn)為,求偶競爭才是長頸鹿長頸的第一驅(qū)動力。
這一觀點發(fā)表后引發(fā)學(xué)界廣泛爭論,支持或反對者眾,學(xué)界尤其期待古生物界能提供重要的化石證據(jù),來支持或否定“求偶競爭”驅(qū)動長頸鹿演化的論斷。
中新社記者:長頸鹿化石發(fā)現(xiàn)及研究狀況怎樣?新疆獬豸盤角鹿化石是如何被發(fā)現(xiàn)命名的?怎么研究出它與長頸鹿之間的關(guān)系?
王世騏:化石證據(jù)這項工作并不容易,長頸鹿具有很多形形色色的化石親屬,但第一個也是迄今唯一具有長頸的屬就是長頸鹿屬本身,其化石記錄不早于500萬年前的上新世。長頸鹿科其他化石種的頸椎長度,在比例上并不比現(xiàn)生的㺢㹢狓更長。特別是長頸鹿科中的主流西瓦獸類,它們不但沒有長頸,而自身演化得粗壯如牛,頸部反而相對更短而不是更長。在新生代非常完善的化石記錄中,目前找不到長頸鹿頸部伸長的中間狀態(tài)的證據(jù),似乎長頸鹿的長頸是短時間內(nèi)突然產(chǎn)生。
與此同時,研究者也逐漸意識到,長頸鹿科的化石中,頭和角的形狀的多樣性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過種類更多的鹿科和??啤iL頸鹿科頭骨上配備有如此多樣化的角,其究竟意味著什么也引發(fā)學(xué)界的關(guān)注與思考。
也正是在1996年,求偶競爭驅(qū)動長頸鹿長頸演化觀點發(fā)表的同一年,中科院古脊椎所團隊在新疆烏倫古河流域的茫茫戈壁之中,一處約1700萬年前地層中發(fā)現(xiàn)神秘化石。
這是一件大型反芻動物的腦顱化石,腦顱骨壁異常厚實,頭頂上長有一個完全覆蓋頭頂?shù)木薮髨A盤,在腦顱之后還連接著四節(jié)異常粗大的頸椎,其中第一頸椎的形狀尤為奇特,頸椎與頭骨之間,除了正常的轉(zhuǎn)動功能,還發(fā)育一個異常增大的限位關(guān)節(jié),其后的各頸椎之間也多少發(fā)育有附加的限位關(guān)節(jié)。因無法確認(rèn)該化石分類,研究者一直稱其為“怪獸”。
之后的野外考察中,中科院古脊椎所團隊在烏倫古河流域的同期地層中,又陸陸續(xù)續(xù)發(fā)現(xiàn)完整程度不一的幾十件“怪獸”同類標(biāo)本,由于它頭骨和頸椎的特殊關(guān)節(jié),研究者認(rèn)為這是一種對碰撞行為極端適應(yīng)的動物,進而認(rèn)為其或許與某些在求偶競爭中有碰撞求偶行為的現(xiàn)生動物(如麝牛等)有關(guān),但在這一共識之外,“怪獸”化石研究一直沒有實質(zhì)性的進展。
2015年開始,我?guī)ьI(lǐng)團隊研究攻堅這些“怪獸”化石標(biāo)本,在古生物研究中首次采用高速的動力學(xué)模擬方法,證實“怪獸”的頭骨和頸椎的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特別適應(yīng)于高速的頭對頭撞擊,有效性遠(yuǎn)高于麝牛等適應(yīng)頭部撞擊的現(xiàn)生動物,也可能是生物演化史上最適應(yīng)頭部撞擊的脊椎動物。
隨后,我們通過對“怪獸”內(nèi)耳結(jié)構(gòu)的高分辨率計算機斷層掃描(CT)和三維重建發(fā)現(xiàn),“怪獸”內(nèi)耳與之前認(rèn)為的最有可能的??平厝徊煌?,也不同于鹿科、麝科等,反而與現(xiàn)生的長頸鹿在關(guān)鍵特征上一致,并得到具有大量數(shù)據(jù)積累的歐洲合作團隊的確認(rèn)。
“怪獸”屬于長頸鹿類這一初步結(jié)果讓我們豁然開朗:角的特征早已暗示了其長頸鹿類的屬性,它具有從頂骨中心生長的獨角,這在???、鹿科和叉角羚科中都從來沒有過,唯獨長頸鹿和西瓦獸的角長在頂骨上,長頸鹿在額骨的中間還有一個獨角。
隨著大量“怪獸”牙齒化石也被發(fā)現(xiàn),從另一個角度證明它是一種齒冠較高的長頸鹿。在此基礎(chǔ)上,我們團隊將“怪獸”正式命名為“獬豸盤角鹿”,其中,獬豸是中國古代的神獸,在頭頂上有一個獨角,它被認(rèn)為是麒麟的一種,而從明代以來,長頸鹿傳入中國,人們就將其稱為麒麟;盤角,則是指它的標(biāo)志性特征——圓盤狀的大角。
中新社記者:獬豸盤角鹿化石研究,除得出其屬于長頸鹿類這一結(jié)果外,在長脖子演化方面有哪些重要發(fā)現(xiàn)?
王世騏:系統(tǒng)發(fā)育分析顯示,現(xiàn)生長頸鹿與獬豸盤角鹿均屬于長頸鹿超科,它們頭骨和頸部的形態(tài)差別很大,但都與雄性的求偶斗爭相關(guān),而且都向極端的方向演化。
我們團隊通過對比反芻類幾大類群,包括長頸鹿類、牛類、鹿類、叉角羚類的角的形態(tài),發(fā)現(xiàn)長頸鹿類角的多樣性遠(yuǎn)高于其他幾大類群,并且形態(tài)往往偏向極端,這說明長頸鹿類求偶斗爭比其他反芻類更加高強度而且多樣化。
同時,長頸鹿和盤角鹿都是極端的打斗者,它們的雄性為了爭奪雌性的芳心,不惜發(fā)展出一些極端的武器,極端的行為在性選擇的加持下,促生了進化史上各種長頸鹿極端的頭頸部的形態(tài)學(xué)演化。
進一步分析獬豸盤角鹿的生態(tài)環(huán)境和它所占據(jù)的生態(tài)位發(fā)現(xiàn),當(dāng)時地球正處于一個溫暖時期,總體上來說森林密布,但獬豸盤角鹿生存的新疆地區(qū),由于南邊青藏高原正劇烈隆升,阻擋了水汽的傳輸,使得這一帶比其他地區(qū)要干旱一些。牙釉質(zhì)穩(wěn)定同位素表明,獬豸盤角鹿生活在開闊的草原之中,并且可能隨季節(jié)遷徙。對于當(dāng)時的動物來說,瘠薄的草原環(huán)境不如森林環(huán)境舒適,獬豸盤角鹿的激烈打斗行為,可能與生存環(huán)境帶來的壓力相關(guān)。
到現(xiàn)生長頸鹿出現(xiàn)之初,也遭遇過類似獬豸盤角鹿的環(huán)境:約700萬年前,東非高原也由森林環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)殚_闊的草原,遠(yuǎn)古長頸鹿賴以生存的環(huán)境逐步消失,促使它們必須適應(yīng)新的變化。現(xiàn)生長頸鹿屬500萬年前出現(xiàn)時,本來身體比較高大的長頸鹿,可能在這個時期發(fā)展出利用甩動脖子和頭部攻擊競爭對手的方式,通過這種極端的斗爭方式,在性選擇的加持下,使得長頸鹿的頸部在200萬年時間內(nèi)迅速加長,成為現(xiàn)生長頸鹿屬,從而有效占領(lǐng)取食高處樹葉這樣一個相對邊緣化但回報頗豐的生態(tài)位。
中新社記者:獬豸盤角鹿化石研究論文獲國際頂級期刊發(fā)表,這項成果有什么重要意義?
王世騏:獬豸盤角鹿化石的發(fā)現(xiàn),為揭開長頸鹿長脖子的演化之謎提供了重要化石證據(jù)。長頸鹿科的化石中,頭頸部和角的形狀的多樣性非常高。長頸鹿的長頸配小角,與獬豸盤角鹿的粗壯頸部配盤狀角,不過是其中兩個極端的例子,而這兩種形態(tài)都與雄性求偶中的打斗方式相關(guān):長頸鹿和盤角鹿都是極端的打斗者,它們的極端行為在性選擇的加持下,促生出長頸鹿中極端的形態(tài)學(xué)演化。
回顧整個長頸鹿的演化歷史,在演化之初,長頸鹿類的生態(tài)地位就要比??坡箍频雀舆吘壔?,這似乎預(yù)先決定了它們的演化道路:邊緣化的生態(tài)定位促進了種內(nèi)的極端求偶競爭,而極端求偶競爭又促進了極端的形態(tài)學(xué)演化。這足以引起學(xué)界對物種演化方向、策略以及結(jié)果的更深層次思考。
通過研究獬豸盤角鹿這個與長頸鹿譜系相近、演化環(huán)境背景相似、演化策略相同的物種,極大促進了我們對長頸鹿脖子演化細(xì)節(jié)的認(rèn)識,雖然長頸鹿長頸演化仍存在許多不能完全了解的細(xì)節(jié),但獬豸盤角鹿化石的研究則為獲取這一段秘事打開全新的窗口。
如果要問長頸鹿的長脖子究竟是為了食還是為了性?我們最新研究給出了這樣的答案:食可能是一個結(jié)果,性可能是達到這個結(jié)果的途徑。重要的是,每一個物種,必須要在生態(tài)環(huán)境中找到自己的位置,才有可能在充滿挑戰(zhàn)的世界中存活下去。(完)
受訪者簡介:
王世騏,青年古生物學(xué)家,中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所古哺乳動物研究室主任、研究員,中國科學(xué)院大學(xué)博士生導(dǎo)師。主要從事新生代大型哺乳動物的系統(tǒng)演化及東亞地區(qū)新生代生物地層學(xué)研究,重點研究青藏高原隆升引起亞洲內(nèi)陸干旱化成為北半球開闊動物群的演化中心這一重大科學(xué)問題。已完成重要研究成果包括:發(fā)現(xiàn)長頸鹿類頭頸部特異演化(如長脖子演化)的性別競爭驅(qū)動力和生態(tài)因素;提出早期象類采食方式分化和生態(tài)輻射以及采食器官由下頜向長鼻轉(zhuǎn)移的演化過程;提出青藏高原及中亞內(nèi)陸是羊亞科動物的演化中心,并找到重要化石證據(jù);提出大型有蹄類的性別異時進化理論。主持過和正在開展中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項子課題、科技部基礎(chǔ)專項子課題、國家自然科學(xué)基金重大項目子課題等多項科研項目,已發(fā)表專業(yè)學(xué)術(shù)論文近百篇。
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