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【人民网】1亿年前动物怎么“造娃”? 琥珀中巨型精子告诉你答案
2020-09-24 | 编辑: | 【

2020923 來源:人民網

中、德、英三國古生物學者在1億年前的白垩紀緬甸琥珀中,發現了迄今最早的動物精子,將相關化石記錄時間提前了約5000萬年。

動物最早的精子什麽樣?一種動物爲何上億年來保持同一種交配方式?看起來小不點的家夥,爲何擁有巨型精子?

916日,中國科學院南京地质古生物研究所一场特殊的发布会,揭开了一亿年前介形虫有性生殖行爲的奥秘。

介形蟲是一種具有雙瓣殼的水生微型甲殼類動物,大小通常1毫米左右。現生的介形蟲有上萬種之多,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生存了將近5億年,比起人類可久遠得多。

2017年,中國科學院南京地质古生物所获得一块来自缅甸的琥珀化石,利用高分辨率顯微断层扫描技术(顯微CT)對琥珀中保存有軟軀體的白垩紀介形蟲化石標本進行了研究,發現介形蟲利用巨型精子進行有性生殖的行爲在一億年前就已存在,該結果使已知最早的動物精子記錄提前了至少5000萬年。相关成果于916日作爲封面論文在線發表于英國《皇家學會會刊—B輯》上。

精子長度是蟲身的三分之一

在一個裝滿了淡綠色水的量杯中,一些白色的小點點,正在水草中來回穿梭、遊來遊去。這些就是現生的介形蟲,是我在戶外一個積滿雨水的托盤中發現的。中國科學院南京地质古生物研究所现代陆地生态系统起源与早期演化研究团队的王贺博士告诉记者,在生物分类中介形虫是一个纲。按照界、门、纲、目、科、属、种的分类来看,介形虫的家族很大,现生的介形虫种类有上万种。

2017年,王賀博士和該所王博研究員等發現一枚獨特的琥珀化石,透明的琥珀中夾雜著一些黑色的小點。經過協商,他們把這枚琥珀化石帶回所裏通過顯微鏡觀察發現,這些黑色的小點就是介形蟲。

介形蟲在海相和陸相的沈積岩中很常見,但是琥珀化石非常罕見,這是已知發現的第二枚,但是另一枚沒有保存介形蟲的軟軀體。王賀告訴科技日報記者,該枚琥珀重0.676克,長17.5毫米、寬13.5毫米、厚4毫米,共保存了39個介形蟲化石標本。介形蟲個體最大0.59毫米,最小0.24毫米。

經過與德國和英國科研人員合作,他們利用顯微CT對其中的11個標本進行分析,通過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的殼體和軟軀體的形態特征,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,對于這類微小化石的研究特別重要。王賀說道。

通过顯微CT,研究人員看到了不可思議的一幕:這些白垩紀的介形蟲,擁有巨型精子,長度達到200微米,也就是0.2毫米,是它身長的1/3。要知道,人類的精子長度只有20微米而已。

這個比例是非常驚人的,大家可以想象一下,如果人類的精子也達身高的1/3,是什麽樣子。王賀說,更重要的是,這些精子刷新了動物界最早精子的紀錄,此前是在南極發現的5000萬年前環節動物的精子化石。

有性生殖行爲1億年前就已存在

介形蟲一般生活在水體之中,淡水鹹水中都有它們的身影。

經過還原,這枚琥珀化石中的介形蟲當時生活在靠近海邊的瀉湖中,湖邊長滿了紅樹林。它們歸屬于三個不同的類群,並含有從幼年到成年的較完整發育序列。

某一天,一大滴樹膠滴落在湖邊的淺灘上,這些介形蟲瞬間被包裹在其中,動彈不得。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。但這些軟體結構往往能夠提供許多重要的古行爲學信息,如生殖行爲。王賀說,所以科學家只知道數億年前介形蟲就已存在,卻不知它們如何生活繁衍。

基于化石功能形態學分析及現生介形蟲的形態和生態學觀察,研究人員發現化石中的介形蟲與現生種類具有相同的抱握器、曾克氏器(精子泵)、半陰莖、儲精囊、巨型精子等。

他們研究認爲,在一億年前,介形蟲在進行有性生殖時,雄性通過鈎狀抱握器抓住雌性並將半陰莖伸入雌性個體內。交配過程中,雄性通過曾克氏器(精子泵)將巨型精子送入雌性體內。這一過程長達數十分鍾之久。

巨型精子進入雌性體內後,被儲存在儲精囊內,隨後精子開始具有活性,並與卵子結合完成受精過程。

在雌性介形蟲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選擇。王賀介紹說。

该化石研究表明,与现代介形虫有性生殖相关的生殖器官(如抱握器、曾克氏器等)至少在白垩纪中期就已形成,其形态特征在一亿年间没有发生改变,同时也进一步表明介形虫的这种利用巨型精子进行有性生殖的行为在一億年前就已存在。

我们认为,这种包含巨型精子的复杂生殖行为提高了介形虫交配的成功率,促进了非海相介形虫类在晚中生代的辐射演化。而这种持续上亿年不变的有性生殖行爲,为演化停滞现象提供了一个重要实例。王賀告訴記者。

研究介形蟲化石有助重建古環境

介形蟲化石不僅具有重要的生物地層學意義,在油氣勘探中是不可或缺的化石門類之一,而且在古環境重建和生物演化研究中也扮演著重要的角色。

在地质古生物学研究中,介形虫与孢粉、有孔虫、放射虫等都被称为微体化石,它们需要借助顯微镜才能看到。

微體化石堪稱尋找地球資源的金鑰匙,科學家通過研究微體化石就能解決勘探和尋找能源的地層問題。

石油、天然氣、煤炭和頁岩氣都和古生物有非常密切的關系,動植物大量死亡之後經過地層學的埋藏最後才能形成能源。

當鑽到地下7000米取岩芯時,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岩芯中找到能源留下的蛛絲馬迹。

因爲微體化石在地層中數量很大,因此具有較強的指示作用,可以幫助科學家確定地層年代,尋找石油、天然氣等礦産資源。

专家不仅在顯微镜下观察微体化石,还给这些小虫照红外线,进行CT掃描,希望還原它們微米級的形態特征,因爲這對中國能源經濟非常重要,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、頁岩氣的大寶藏。

比如這次我們發現的介形蟲屬于白垩紀,如果地質勘探部門在鑽探過程中發現介形蟲,那我們就知道上下地層的大致年代,我國的大慶油田産油層就屬于白垩紀。王賀介紹說。

而每種生物都有自己獨特生活習性和分布規律,據此及相關的岩性資料可以推測出地層單元形成時的水體環境和氣候條件,這種條件反過來又會控制著地層的形成和分布,因而也控制著烴源岩和儲集岩的形成和分布。








 
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