最早拥有颌与牙齿的脊椎动物
4亿多年前，盾皮鱼——身体被骨质板包裹的装甲鱼——成为地球上最早进化出颌和牙齿的脊椎动物。这一进化里程碑比恐龙早了数亿年，并为随后几乎所有咬、咀嚼和吞咽的动物（包括人类）奠定了基础。
弗林德斯大学的一项新研究现已重建了一群这些古代捕食者实际如何使用它们的嘴。研究人员利用来自一片古老礁石的化石——这片礁石曾覆盖今天的西澳大利亚北部地区——发现，生活在约3.85亿年前的盾皮鱼并非只有一种，而是有两种不同的方案来对付会反抗的猎物。
两种攻破装甲的策略
核心发现是不同体型物种之间摄食装备的分化。研究中检查的较小盾皮鱼依赖宽大扁平的碾碎齿板，能够一口将整个猎物粉碎。较大物种则走上了完全不同的道路，进化出武器状的牙齿，能够刺穿并分解那些大到无法吞咽的带壳和装甲动物。
两种方法解决的是同一个基本问题——穿透坚硬外壳以触及内部软组织——但解剖学上的答案看起来毫无相似之处。一种是研磨压机。另一种是一组穿刺工具。
颌由成对齿板构成，而非单一骨骼
理解盾皮鱼的摄食需要抛开从现代动物得出的假设。正如研究饮食与颅骨形状关系的第一作者雷克斯·米切尔博士所解释的，盾皮鱼并不像包括人类在内的大多数现存脊椎动物那样拥有单一的下颌骨。相反，它们的颌由软骨支撑的成对骨质板组装而成，这些齿板的咬合面从宽大的碾碎平台到排列着齿状结构的锋利切割边缘不等。
这种变异正是该群体值得研究的原因。由于没有单一颌骨限制其解剖结构，盾皮鱼得以在数百万年的进化中自由探索广泛的机械设计。
用计算机模拟重建古代咬合
为了弄清这些设计在实际中表现如何，研究人员将有限元分析技术与基于计算机的模拟以及咬合面的三维分析相结合。有限元分析借鉴自工程学，它将结构划分为许多小块，并模拟力如何在其中传递——这种方法非常适合测试颌能否承受咬开硬壳猎物时的应力。
利用这些工具，团队重建了八种盾皮鱼的摄食行为，描绘出每一种在史前澳大利亚海洋生态系统中会如何处理食物。
结果与研究人员预期的模式不符。参与这项工作的ARC未来研究员爱丽丝·克莱门特博士指出，以硬食为食的动物通常会进化出更强的颌以及更宽、更平的碾碎面。她说，这一预期并不是这项分析所发现的——较大物种反而投资于穿刺硬件，而不是加固的扁平齿板。
硬食摄食者中出乎意料的模式
这种不匹配之所以重要，是因为它使关于饮食如何塑造解剖结构的简洁规则变得复杂。如果硬食特化者通常会趋同于同样坚固、平顶的颌设计，那么盾皮鱼礁石群落代表了一种真正的替代方案。进化在这里产生的不是破解装甲的单一最优解，而是一个部分按体型划分的双轨系统。
根据重建的咬合力学，一种合理的解读是，这两种策略适合的是不同大小的猎物，而非不同硬度的猎物。较小的鱼可以用碾碎齿板解决整个猎物。较大的鱼则需要使超过其吞食能力的装甲动物失去能力并将其拆解，而锋利的齿状结构比宽大的压机更适合这一目的。
窥见早期颌特化的罕见窗口
克莱门特将盾皮鱼描述为在脊椎动物早期进化过程中试验了极其广泛的颌形状和咬合部件，这使它们成为异常宝贵的研究案例。由于它们如此接近颌本身的起源，它们保存了关于一些最早脊椎动物口器如何特化以适应特定饮食的证据——这一转变否则很难直接观察到。
古老的礁石环境更增添了其价值。这些化石来自一个支持多种盾皮鱼同时存在的丰富海洋生态系统，这意味着不同的摄食策略并未被漫长的时间分隔。它们共存。
这项研究开启了什么
这项发表在《科学报告》上的研究展示了将化石解剖学与计算建模相结合的价值。对颌骨的传统描述可以揭示形状，但不能揭示机械性能；应力和应变的模拟让研究人员能够测试给定结构是否能够现实地碾碎、切割或刺穿特定类型的猎物。
将这种组合应用于八个物种，产生了单一古老礁石上饮食分化的证据。它还提出了后续问题：这种模式有多普遍，地球上其他地方的盾皮鱼是否也沿类似路线分化其摄食策略，以及这种变异有多少可追溯到体型而非可用食物的硬度。
清楚的是，最早的颌口脊椎动物并没有 stuck 在单一进化路径上。在大约3.85亿年前的一个谱系、一片礁石上，咬合机制至少分化出两种可行设计——一种用于粉碎，另一种用于穿刺。
关键发现一览
- 盾皮鱼是4亿多年前最早进化出颌和牙齿的脊椎动物。
- 弗林德斯大学的研究人员分析了约3.85亿年前生活在今西澳大利亚北部一片古老礁石上的八个物种。
- 较小物种使用宽大扁平的碾碎齿板将整个猎物粉碎。
- 较大物种进化出武器状牙齿，以刺穿并分解大到无法吞咽的装甲猎物。
- 盾皮鱼的颌由软骨支撑的成对骨质板构成，而非单一的下颌骨。
- 研究结合了有限元分析、计算机模拟和三维表面分析来重建摄食力学。
本文基于Phys.org的报道。阅读原文。
Originally published on phys.org
