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《合肥工大报》刘俊:重塑爬行动物生殖方式演化

更新时间:2017-03-10点击次数:325次字号:T|T


2月14日,我校资源与环境工程学院副教授刘俊领衔在《自然·通讯》上发表题为《初龙型爬行动物胎生》的“封面”(Facebook)文章,重塑了科学家对爬行动物生殖方式演化的理解。2月23日,该项科研成果被《自然》杂志遴选为当周科学界研究亮点。这也是我校研究成果首次在《自然》子刊上作为封面文章发表,并被《自然》主刊选为研究亮点予以报道。

论文刊发后,路透社、法新社和新华社等国际知名通讯社均刊发新闻通稿。国内媒体如中央电视台、中央人民广播电台、人民网、光明网、China Daily、科技日报等,国际媒体如英国BBC、每日邮报、卫报、镜报、美国时代周刊、华盛顿邮报、福克斯新闻、国家地理、探索杂志、加拿大CBC、澳大利亚ABC、新加坡南华早报、香港文汇报等均对此项研究成果进行了特别报道。

用来评价科技文章社会影响力的Altmetric调查显示,在文章发表之后的短短一周之内,其Altmetric分值已达到1040。这意味着在过去六周《自然·通讯》所发表的所有500多篇学术文章中,此项研究的国际社会影响力已经排到了第3,在《自然·通讯》创刊以来所发表的所有1.1万篇文章中排第20,在所有学术期刊过去六周发表的所有12万篇科技文章中排第89。这些数据显示,合肥工业大学的学术声誉在国际社会得到了很好的传播。

本研究由合肥工业大学领衔,参与单位包括国土资源部成都地质矿产研究所、中国科学院南京地质古生物研究所、美国蒙大拿州立大学、英国布里斯托尔大学、澳大利亚悉尼大学以及昆士兰大学,合肥工业大学为第一和通讯作者单位。

研究初探  发现化石

2008年,彼时的刘俊还是一名博士研究生,开始参与研究成都地质矿产研究所张启跃研究员团队所采获的两万多件化石。2011年,在实验室完成一件恐头龙化石的修理后,他发现此件恐头龙化石中包裹有更小的化石。通过观察两者形态学特征,刘俊确定它们属于同一物种。“我当时非常激动。”他回忆说,“我当时不确定此件小化石到底是同类相食的结果,抑或是母体内部正在发育的胎儿,但是我知道这两种假说中的任何一种都意味着不同寻常的发现。”

机会总是偏爱有心人,刘俊没有放过这个偶然的发现,2014年来合肥工业大学工作后,他正式着手对化石的研究。认识恐头龙,确定其在生命谱系之树中的位置,这是所有研究的第一步。那一年,刘俊几乎全年奔波在国内、欧洲、美洲等国家的博物馆和文献库里,将化石与其他原始初龙型爬行动物的外形进行对比研究,采集骨骼形态特征,进行谱系分析。刘俊说,“这是一项非常繁琐的工作。我需要对大量化石进行研究、观察、建立数据矩阵,再用计算机对形态学的数据矩阵进行分析。”经过大量的工作,刘俊确认了恐头龙属于原龙类,是一种比现生初龙类更为原始的初龙型海生爬行动物。

大胆假设  小心求证

恐头龙主要生活在中三叠世特提斯洋东岸的浅海区域(现在的华南地区)。从后期的化石复原图来看,它是一种不同寻常的长脖海怪,其脖子长度可达到躯干的两倍,外形上有点像传说中的尼斯湖水怪,而恐头龙正是通过其长脖子伏击鱼类为食。据了解,初龙型动物是包含现生的鳄鱼和鸟类以及绝灭的恐龙和翼龙等在内的爬行动物的另外一大类群,目前约有超过10000种现生种类。但是在这一大类群中,胎生从未被发现。

刘俊意识到,如果能通过此件化石证明恐头龙为胎生,这将是一次突破性的发现。根据发现的恐头龙化石,小化石被完整包裹在大化石中,可首先排除化石重叠的可能。通过进一步观察和研究,刘俊发现:第一,小化石的躯干指向母体前方,而被捕食、未消化的猎物则一般头部都朝后存留在恐头龙体腔内;第二,小化石整体是呈胚胎般的卷曲状,而被捕食猎物则一般呈挺直状;第三、小化石的表面并无被捕食猎物所特有的胃酸腐蚀痕迹。“这些都证明了小化石实为母体内部正在成长的胎儿,而不是同类相食的结果。”刘俊说。

在排除掉小化石为同类相食的可能性之后,并不等同于恐头龙既为胎生。因为在有些卵生的蜥蜴和蛇类中,胚胎在母体内部的蛋壳中可能会发育到一个非常高级的阶段然后再排出体外孵化。

反向假说  排除卵生

为进一步佐证恐头龙实为胎生,刘俊继续寻找证据排除恐头龙为卵生的假说。从新发现的胚胎化石来看,首先,如果恐头龙为卵生,则胚胎周围应有一层钙化的蛋壳,这也是初龙类的一大典型特征,但胚胎化石周围并未有任何发现;其次,胚胎骨化较好,处于较高级的胚胎发育阶段,而在这一发育阶段,所有已知的初龙类的胚胎都已随蛋壳被母体排出了体外;再者,如果恐头龙为卵生,则需要返回陆地产卵,因为爬行动物蛋壳里的胚胎需要呼吸外界的空气,而这一过程在水中无法完成,但是恐头龙长长的脖子以及鳍状的四肢等特征都指示它不适合在陆地上运动。

此次胚胎化石的发现十分难得,因为胚胎骨骼多为未发育成型的软骨和软组织,而没有完全骨化的胚胎则很难最终成为化石。刘俊补充道:“这只恐头龙应该临近预产期了,因为胎儿的位置距离生殖腔很近。”

未参与本项研究的美国Trinity学院生物系杰出教授Daniel Blackburn对此深信不疑,在接受媒体采访时,他认为,“研究论文中所展示的种种证据都显示恐头龙胎生是非常可信的。”

继续探秘  确定霸主

为进一步探讨胎生在初龙型动物中出现的意义,刘俊对恐头龙的后代性别决定机制展开了更深入的研究。通常来说,鸟类、哺乳动物和爬行动物等同属于羊卵膜动物,它们有一个共同点,即胚胎外存有一层羊膜,羊膜腔中充满液体,为胚胎发育提供所需的液体环境。这其中,鸟类和哺乳动物的后代性别是由基因决定的,而龟类、鳄鱼等现生爬行动物的后代性别则是由外界环境温度决定。那么,与后者关系最为密切的恐头龙,其后代性别是由什么决定的呢?

谈及于此,刘俊坦言此项工作是整体研究中的难点。“在化石中鉴定性别决定机制不是一件容易的事,这是因为性别决定机制本身不能保存为化石。”刘俊说,“为此,我们需要收集现生羊膜卵动物的性别决定机制和生殖方式,建立数据矩阵,然后利用它们在谱系树上的分布特征,通过数理统计模拟来建立这两者之间的联系,并最终在此结果的基础上,利用恐头龙为胎生以及它在羊膜卵动物谱系树上的位置,模拟推测恐头龙后代性别的决定机制。”经过不断求索,刘俊得出恐头龙后代性别由基因决定的可能性超过了95%。

此外,刘俊补充介绍道,正是胎生和后代性别基因决定机制这两者结合,使得像恐头龙这样的爬行动物得以成为中生代海洋中的霸主。

胎生意义  重塑研究

 “对于现生的初龙为什么没有演化出胎生的现象,现代生物学家有一些猜测,提出的假说也较多。”论文的共同作者,来自于澳大利亚悉尼大学的Matthew C. Brandley博士说道。“但是对恐头龙的分析显示在初龙型动物中没有内在的遗传或者发育机制阻止胎生在这一类群中的演化。”论文的另一共同作者,来自于英国布里斯托尔大学的Michael J. Benton院士补充道。

“这一发现使得我们对初龙型动物生殖方式的了解从侏罗纪前推到了三叠纪,往前跨越了5千万年。” 论文的共同作者,来自于澳大利亚昆士兰大学的Jonathan C. Aitchison教授如是评价。

“我们一般认为像生殖方式这样重要的特征在演化中是比较固定的,但是恐头龙胎生的发现,说明生命的演化是多么的具有不可预测性。”未参与本项研究的美国洛杉矶自然历史博物馆Nathan Smith副研究员在接受媒体采访时称道。

在作为独立评述人回答美国福克斯新闻采访时,美国Rowan大学地球与环境科学学院院长Kenneth Lacovara教授评价本项研究是“一项非同寻常的发现(extraordinary discovery)”。

恐头龙胎生的发现重塑了科学家对爬行动物生殖方式演化的理解,并使科学界目前的研究重心,从对“什么因素限制了胎生在初龙型动物中的出现”转移到探讨“自然选择在初龙型动物演化出胎生中所扮演的角色”,论文的另一共同作者,来自于美国蒙大拿州立大学的Chris Organ博士补充到。

不忘初心  感恩工大

良好的学术氛围,学院领导的支持,是科研人员做好研究的基础。为此,刘俊深切感谢学校及学院给予他的帮助。

“刘俊能够取得现今的成就,既是他自己长期努力的结果,也是学院按照学校的部署实施人才强院政策的具体体现。资环学院是一个具有多学科专业的学院。多年来,学院充分发挥学科优势,坚持人才培养核心,深度结合产学研用,尤其加大对中青年教师的培养工作,在政策和资金上倾斜支持,为像刘俊这样的年轻教师快速成长提供良好的条件和氛围,让他们能够安心于教学和科研。”资源与环境工程学院院长周涛发表示,“目前,我院正着力全面落实能力导向一体化教学教育体系、加强学科学位建设、加大高水平青年人才引进和培养力度。通过‘十三五’规划的落实,力争把学院建设成为研究型学院,努力建设一流学科。”

资源与环境工程学院党委书记李强表示,“近年来,我院严格落实学院‘十三五’规划,积极推动各项事业发展,高度重视中青年教师的培养。为让青年教师潜心做科研,优化青年教师成长环境,学院制定实施了‘资优计划’和‘青苗计划’,帮助青年人才尽快脱颖而出。”

“艰苦奋斗、自强不息、追求卓越、勇攀高峰”。70多年来,我校深怀“工业报国”之志,以民族振兴为己任,以社会进步为担当,积极成为国家人才培养、科学研究、社会服务、文化传承创新和国际交流合作的重要基地。相信在合肥工业大学这片沃土上,定能涌现出更多像刘俊这样的优秀青年学者。

原文刊载于《合肥工大报》727期2版

(夏 瑞/文  宁浪沙/图)
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