鲸类如何获得牙齿

时间:20-01-16 栏目:动物世界 作者:wenkula 评论:0 点击: 84 次



(A)小家鼠(B)的野猪和(C)点斑原海豚的牙齿形态差异


(A)小家鼠(B)的野猪和(C)点斑原海豚的牙齿形态差异


鲸是哺乳动物,但是它们看上去并不像我们身边的哺乳动物,因为它们有三角形的鲸尾片,没有后腿也没有体毛。而在它们的嘴里,它们的牙齿也让人不熟悉——这些牙齿远远更简单而且更“像钉”。由多学科科研人员组成的一个团队如今把化石记录与胚胎发育过程结合起来用以研究鲸如何获得牙齿。


多数哺乳动物有4种牙,每一种的形状是为了具体的用途。在大多数哺乳动物中,有楔形的门齿,尖头的犬齿、前臼齿和臼齿,有峰和谷,当你咀嚼的时候它们配合起来,就像研钵和杵。并不是所有的鲸都有牙齿,但是那些有牙齿的鲸——诸如虎鲸——有数排简单的钉状牙齿,每一颗牙都和旁边的一颗牙看上去一样。鲸使用这种成排的尖牙夺取猎物,但是与哺乳动物不同,鲸并不咀嚼。在今天发表在开放获取杂志PeerJ 上的一项新的研究中,Brooke Armfield及其同事研究了导致海豚——鲸的体型较小的表亲——的牙齿变得不同的发育过程,并且追踪了化石记录中它们独特的齿系的进化进程。


鲸进化自陆地哺乳动物,因此Armfield和她的合作者首先在化石记录中追踪了鲸何时以及如何进化出了它们的简单牙齿。化石记录表明,4800万年前,鲸和其他多数哺乳动物一样,有4种类型的牙。逐渐地,鲸的牙变得更简单、在大约3000万年前获得了它们的典型的钉状牙齿外观,这远远晚于它们获得了一批用于在水中生活的适应性之后。


接下来,Armfield和她的同事探索了牙齿在发育中究竟如何成形。胚胎中的特定蛋白质导致了正在发育的牙齿生长成了特定的形状。Armfield及其同事瞄准了两个蛋白质——BMP4 (骨形态生成蛋白4) and FGF8(成纤维细胞生长因子8)。BMP4的表达导致了牙齿发育成简单的尖齿,而这发生在颌的前端、门齿形成的地方。在牙齿形成前的胚胎中,FGF8在颌的后部的表达导致了小鼠和其他哺乳动物的有复杂峰谷形状的臼齿的发育。


Armfield和她的合作者研究了鲸和海豚的亲缘物种——猪的胚胎的FGF8 和BMP4。猪有4种典型类型的牙齿,而且无疑这两种蛋白的分布方式与其他哺乳动物相同,这表明鲸的祖先很可能也有这种基因表达的分布。接下来,这组作者转向研究海豚的胚胎。对于海豚,这个模式就不同了:FGF8出现在颌的后部,但是BMP4出现在整个颌上,包括发现了FGF8的地方。这组作者提出了一种假说,即在这些新的区域的BMP4的重叠存在导致了颌上的所有牙齿都具有如同门齿的简单形状,而且相互之间类似。有趣的是,其他科研人员已经证明了在小鼠胚胎中,当实验性地在颌的后部引入BMP4之后,后部的牙齿也呈现出了这种简化的外形。


“发现出现在自然界的一个分子变化如此显著地影响了一种哺乳动物能够在海洋中兴旺发达的方式,然后追踪这种变化在化石记录中的演化,这很令人兴奋,” Armfield说。“在鲸身上发现的蛋白质位置的简单变化影响了牙齿形状,这可能有助于我们更好地理解哺乳动物起初是如何演化出了它们复杂的牙齿的。”


共同作者Thewissen说:“这表明了一种动物的设计的重大变化可能源自早期发育的小变化,其方式是仅仅改变一种现有蛋白质出现的区域。这是一个美妙而详细的例子,表明了小的发育变化对进化具有大的作用。”



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