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1億年前動(dòng)物如何“造娃”? 琥珀中巨型精子告訴你答案

時(shí)間:2020-09-23 09:48:42    來(lái)源:科技日報    

中、德、英三國古生物學(xué)者在1億年前的白堊紀緬甸琥珀中,發(fā)現了迄今最早的動(dòng)物精子,將相關(guān)化石記錄時(shí)間提前了約5000萬(wàn)年。

動(dòng)物最早的精子什么樣?一種動(dòng)物為何上億年來(lái)保持同一種交配方式?看起來(lái)小不點(diǎn)的家伙,為何擁有巨型精子?

9月16日,中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所一場(chǎng)特殊的發(fā)布會(huì ),揭開(kāi)了一億年前介形蟲(chóng)有性生殖行為的奧秘。

介形蟲(chóng)是一種具有雙瓣殼的水生微型甲殼類(lèi)動(dòng)物,大小通常1毫米左右?,F生的介形蟲(chóng)有上萬(wàn)種之多,別看它體型微小、毫不起眼,但是生命力和適應能力極其強大,而且它在地球上已經(jīng)生存了將近5億年,比起人類(lèi)可久遠得多。

2017年,中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物所獲得一塊來(lái)自緬甸的琥珀化石,利用高分辨率顯微斷層掃描技術(shù)(顯微CT)對琥珀中保存有軟軀體的白堊紀介形蟲(chóng)化石標本進(jìn)行了研究,發(fā)現介形蟲(chóng)利用巨型精子進(jìn)行有性生殖的行為在一億年前就已存在,該結果使已知最早的動(dòng)物精子記錄提前了至少5000萬(wàn)年。相關(guān)成果于9月16日作為封面論文在線(xiàn)發(fā)表于英國《皇家學(xué)會(huì )會(huì )刊—B輯》上。

精子長(cháng)度是蟲(chóng)身的三分之一

在一個(gè)裝滿(mǎn)了淡綠色水的量杯中,一些白色的“小點(diǎn)點(diǎn)”,正在水草中來(lái)回穿梭、游來(lái)游去。“這些就是現生的介形蟲(chóng),是我在戶(hù)外一個(gè)積滿(mǎn)雨水的托盤(pán)中發(fā)現的。”中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所現代陸地生態(tài)系統起源與早期演化研究團隊的王賀博士告訴記者,在生物分類(lèi)中介形蟲(chóng)是一個(gè)綱。按照界、門(mén)、綱、目、科、屬、種的分類(lèi)來(lái)看,介形蟲(chóng)的家族很大,現生的介形蟲(chóng)種類(lèi)有上萬(wàn)種。

2017年,王賀博士和該所王博研究員等發(fā)現一枚獨特的琥珀化石,透明的琥珀中夾雜著(zhù)一些黑色的小點(diǎn)。經(jīng)過(guò)協(xié)商,他們把這枚琥珀化石帶回所里通過(guò)顯微鏡觀(guān)察發(fā)現,這些黑色的小點(diǎn)就是介形蟲(chóng)。

“介形蟲(chóng)在海相和陸相的沉積巖中很常見(jiàn),但是琥珀化石非常罕見(jiàn),這是已知發(fā)現的第二枚,但是另一枚沒(méi)有保存介形蟲(chóng)的軟軀體。”王賀告訴科技日報記者,該枚琥珀重0.676克,長(cháng)17.5毫米、寬13.5毫米、厚4毫米,共保存了39個(gè)介形蟲(chóng)化石標本。介形蟲(chóng)個(gè)體最大0.59毫米,最小0.24毫米。

經(jīng)過(guò)與德國和英國科研人員合作,他們利用顯微CT對其中的11個(gè)標本進(jìn)行分析,通過(guò)近一年的高精度三維圖像重建工作,精細還原了這些介形蟲(chóng)的殼體和軟軀體的形態(tài)特征,包括附肢、抱握器、曾克氏器(精子泵)、半陰莖、儲精囊、卵和巨型精子。

“顯微CT的好處是可以不破壞化石,就能獲得完整的三維立體成像,對于這類(lèi)微小化石的研究特別重要。”王賀說(shuō)道。

通過(guò)顯微CT,研究人員看到了不可思議的一幕:這些白堊紀的介形蟲(chóng),擁有巨型精子,長(cháng)度達到200微米,也就是0.2毫米,是它身長(cháng)的1/3。要知道,人類(lèi)的精子長(cháng)度只有20微米而已。

“這個(gè)比例是非常驚人的,大家可以想象一下,如果人類(lèi)的精子也達身高的1/3,是什么樣子。”王賀說(shuō),更重要的是,這些精子刷新了動(dòng)物界最早精子的紀錄,此前是在南極發(fā)現的5000萬(wàn)年前環(huán)節動(dòng)物的精子化石。

有性生殖行為1億年前就已存在

介形蟲(chóng)一般生活在水體之中,淡水咸水中都有它們的身影。

經(jīng)過(guò)還原,這枚琥珀化石中的介形蟲(chóng)當時(shí)生活在靠近海邊的瀉湖中,湖邊長(cháng)滿(mǎn)了紅樹(shù)林。它們歸屬于三個(gè)不同的類(lèi)群,并含有從幼年到成年的較完整發(fā)育序列。

某一天,一大滴樹(shù)膠滴落在湖邊的淺灘上,這些介形蟲(chóng)瞬間被包裹在其中,動(dòng)彈不得。它們的外殼和軟軀體都得到完整的保留。

“絕大多數介形蟲(chóng)化石只保存有鈣化的殼,軟體部分(附肢和身體等)通常難以保存下來(lái)。但這些軟體結構往往能夠提供許多重要的古行為學(xué)信息,如生殖行為。”王賀說(shuō),所以科學(xué)家只知道數億年前介形蟲(chóng)就已存在,卻不知它們如何生活繁衍。

基于化石功能形態(tài)學(xué)分析及現生介形蟲(chóng)的形態(tài)和生態(tài)學(xué)觀(guān)察,研究人員發(fā)現化石中的介形蟲(chóng)與現生種類(lèi)具有相同的抱握器、曾克氏器(精子泵)、半陰莖、儲精囊、巨型精子等。

他們研究認為,在一億年前,介形蟲(chóng)在進(jìn)行有性生殖時(shí),雄性通過(guò)鉤狀抱握器抓住雌性并將半陰莖伸入雌性個(gè)體內。交配過(guò)程中,雄性通過(guò)曾克氏器(精子泵)將巨型精子送入雌性體內。這一過(guò)程長(cháng)達數十分鐘之久。

巨型精子進(jìn)入雌性體內后,被儲存在儲精囊內,隨后精子開(kāi)始具有活性,并與卵子結合完成受精過(guò)程。

“在雌性介形蟲(chóng)儲精囊內有許多巨型精子,像一團亂麻一樣纏繞在一起,但是雄性一次交配只能射出一枚精子,至于究竟哪顆精子能與卵子結合,可能是隨機也可能由雌性介形蟲(chóng)選擇。”王賀介紹說(shuō)。

該化石研究表明,與現代介形蟲(chóng)有性生殖相關(guān)的生殖器官(如抱握器、曾克氏器等)至少在白堊紀中期就已形成,其形態(tài)特征在一億年間沒(méi)有發(fā)生改變,同時(shí)也進(jìn)一步表明介形蟲(chóng)的這種利用巨型精子進(jìn)行有性生殖的行為在一億年前就已存在。

“我們認為,這種包含巨型精子的復雜生殖行為提高了介形蟲(chóng)交配的成功率,促進(jìn)了非海相介形蟲(chóng)類(lèi)在晚中生代的輻射演化。而這種持續上億年不變的有性生殖行為,為演化停滯現象提供了一個(gè)重要實(shí)例。”王賀告訴記者。

研究介形蟲(chóng)化石有助重建古環(huán)境

介形蟲(chóng)化石不僅具有重要的生物地層學(xué)意義,在油氣勘探中是不可或缺的化石門(mén)類(lèi)之一,而且在古環(huán)境重建和生物演化研究中也扮演著(zhù)重要的角色。

在地質(zhì)古生物學(xué)研究中,介形蟲(chóng)與孢粉、有孔蟲(chóng)、放射蟲(chóng)等都被稱(chēng)為微體化石,它們需要借助顯微鏡才能看到。

微體化石堪稱(chēng)尋找地球資源的“金鑰匙”,科學(xué)家通過(guò)研究微體化石就能解決勘探和尋找能源的地層問(wèn)題。

石油、天然氣、煤炭和頁(yè)巖氣都和古生物有非常密切的關(guān)系,動(dòng)植物大量死亡之后經(jīng)過(guò)地層學(xué)的埋藏最后才能形成能源。

當鉆到地下7000米取巖芯時(shí),成本非常高,樣品也很少,大的生物化石很難找到,只能靠這些細小的微體化石才能在巖芯中找到能源留下的蛛絲馬跡。

因為微體化石在地層中數量很大,因此具有較強的指示作用,可以幫助科學(xué)家確定地層年代,尋找石油、天然氣等礦產(chǎn)資源。

專(zhuān)家不僅在顯微鏡下觀(guān)察微體化石,還給這些小蟲(chóng)照紅外線(xiàn),進(jìn)行CT掃描,希望還原它們微米級的形態(tài)特征,因為這對中國能源經(jīng)濟非常重要,依靠這些不起眼的小化石,我們或許可能找到石油、天然氣、煤炭、頁(yè)巖氣的大寶藏。

“比如這次我們發(fā)現的介形蟲(chóng)屬于白堊紀,如果地質(zhì)勘探部門(mén)在鉆探過(guò)程中發(fā)現介形蟲(chóng),那我們就知道上下地層的大致年代,我國的大慶油田產(chǎn)油層就屬于白堊紀。”王賀介紹說(shuō)。

而每種生物都有自己獨特生活習性和分布規律,據此及相關(guān)的巖性資料可以推測出地層單元形成時(shí)的水體環(huán)境和氣候條件,這種條件反過(guò)來(lái)又會(huì )控制著(zhù)地層的形成和分布,因而也控制著(zhù)烴源巖和儲集巖的形成和分布。(記者張曄)

關(guān)鍵詞: 動(dòng)物 造娃

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