某科學の超電報

躲過大滅絕,不挑食很重要?同步輻射穿透式 X 光顯微術為古鳥類牙齒揭秘

  • 鳥類如何躲過大滅絕?國輻中心發現藏在牙齒中的秘密!內文圖片/國家同步輻射研究中心提供

大滅絕事件倖存:「攝食取向」是關鍵?

恐龍的後代-鳥類,如何躲過六千五百萬年前的大滅絕事件,一直是科學家亟欲解答的問題。當隕石撞擊地球加上頻繁的火山爆發,大量灰塵進入大氣層而遮蔽了陽光,阻礙了植物行光合作用,進而對全球生態系造成了嚴重的衝擊。

當植物無法由太陽獲得能量,植食性動物沒有了食物來源而逐漸死去,最終導致肉食性動物相繼滅亡。這一連串的食物鏈崩潰事件,使得地球上百分之七十五的物種滅絕,其中最引人關注的便是非鳥類恐龍 (Non-Avian Dinosaurs) 的大滅絕。

科學家普遍認為,雜食性、食蟲性以及食腐性動物,在這次滅絕事件中得以存活,可能是因為牠們的廣泛攝食偏好。這些生物取食植物果實、種子、昆蟲、動植物屍體、或以有機生物碎屑為食,因而較不受植物類群崩潰滅絕的影響。鳥類則可能也是因為演化出多樣化的攝食取向,僥倖躲過災變而存活至今。

和小型肉食性獸腳類恐龍同處在一個生態系統下的中生代古鳥類。因演化出了不同的取食習性,例如以種子、果實的植食性與小型昆蟲為主的雜食性為主,因而避開直接與掠食性恐龍的食物生態位競爭。圖中展示了棲息於樹上以果實為食的植食性古鳥類 (左)和面臨食物來源匱乏的小型肉食性獸腳類恐龍(右)的生態復原場景。圖\鄭秋暘繪圖

多孔罩牙本質層的退化,證實鳥類食性的轉換

為了證實這個推論,國輻中心領先全球首度研究了由獸腳類恐龍演化而來的古鳥類與小型獸腳類恐龍的牙齒,並比對先前暴龍等大型獸腳類恐龍牙齒的結果。分析發現,廣泛出現在獸腳類恐龍牙齒的琺瑯質與象牙質間的特殊多孔罩牙本質層結構,在古鳥類牙齒中已完全退化消失。

多孔罩牙本質層已證實具有避震與抗裂的功能,可以保護牙齒避免在撕裂骨肉時造成斷裂。此結構層的消失,可以證實古鳥類與其祖先獸腳類恐龍的食性發生重大的轉變,幫助了鳥類在當時大大提升了生存適應力。

除了多孔罩牙本質消失外,研究團隊還發現,古鳥類牙齒的琺瑯質層變薄且結晶結構趨於簡單化,這意味著古鳥類的牙齒不再需要特殊的力學保護機制,再度印證古鳥類與獸腳類恐龍食性的極大差異。

這個研究共收集了 9 種牙齒,包含了古鳥類中的今鳥類、反鳥類、會鳥、以及熱河鳥,與小型獸腳類恐龍族群中的傷齒龍、近鳥龍與小盜龍等。除了古鳥類外,研究團隊還發現一種小盜龍牙齒的多孔罩牙本質層也已經消失。然而相較於古鳥類的全面性植食或雜食化的演進趨勢,雖然獸腳類恐龍中的少數類群也發生了趨同演化,但面臨突如其來的災變,仍難避免滅絕的厄運。

白堊紀早期古鳥類會鳥與小型獸腳類恐龍小盜龍化石標本。收藏於中科院古脊椎所標本館。(白色箭頭標示牙齒位置)。圖\國家同步輻射研究中心新聞稿提供

同步輻射穿透式 X 光顯微術,古生物研究的新利器

王俊杰表示,由於古鳥類的牙齒相當稀少且細小,有些甚至只有一顆沙子大小,因此樣品製備與取像解析度的難度極高。國輻中心的高解析穿透式 X 光顯微鏡,就扮演了相當重要的角色。此外,這個研究也是目前世界上收集最多不同古鳥類牙齒的研究,而過去也未曾有研究團隊全面性且系統性的就非鳥類恐龍與古鳥類牙齒內部微結構的演化差異進行比對。

國輻中心的高解析穿透式 X 光顯微鏡,功能如同醫療用的 X 光電腦斷層掃描可建立三維 (3D) 的立體影像,影像解析度更優於醫用系統 2000 倍以上,目前已儼然成為古生物研究的最佳利器之一。

國輻中心穿透式X光顯微鏡與各牙齒化石內部高解析顯微影像。可以發現相較於小型肉食性獸腳類恐龍的近鳥龍,同為小型獸腳類恐龍的小盜龍以及古鳥類的會鳥牙齒內部多孔罩牙本質結構,已明顯退化消失。圖\國家同步輻射研究中心新聞稿提供

  • 本文改寫自國家同步輻射研究中心新聞稿,原標題為〈鳥類如何躲過大滅絕? 國輻中心發現藏在牙齒中的秘密!〉。
    論文:《Ultramicrostructural reductions in teeth: implications for dietary transition from non-avian dinosaurs to birds》
  • 此論文成果於 2020 年 4 月 21 日登上國際期刊《 BMC 進化生物學》 (BMC Evolutionary Biology)。
  • 由國家同步輻射研究中心(國輻中心)王俊杰博士與江正誠先生、中科院古脊椎所李志恒博士與周忠和院士、國立交通大學黃爾文教授,以及化石先生研究所蕭語富先生等人共同組成的研究團隊。

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