在中寒武纪三叶虫化石件揭示了交配行为的秘密

2022-05-16新闻资讯

Olenoides serratus 交配

锯齿鱼交配位置的艺术重建。学分:冬青沙利文

化石可以告诉科学家很多关于动物的信息,例如它们的形态、环境以及它们在生命树中的位置。在化石记录中很难观察到的一件事是动物的繁殖行为。需要一块保存得非常独特的化石才能揭示一些最早的复杂动物的生殖策略背后的秘密。

在(2022 年 5 月 6 日)发表在《地质学》杂志上的一项新研究中,哈佛大学有机与进化生物学系的博士生 Sarah R. Losso 和 Javier Ortega-Hernández 教授揭示了三叶虫的交配行为。中寒武纪化石,Olenoides serratus。

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三叶虫是一组 5.20-2.5 亿年历史的节肢动物,可能靠近两个主要节肢动物群的分支点,螯肢动物(马蹄蟹、蜘蛛和蝎子)和下颌动物(蜈蚣、螃蟹和昆虫)。它们在古生代化石记录中占主导地位,在每个大陆都有发现,并且有超过 20,000 个被描述的物种。它们因其富含方解石的耐用外骨骼的三叶外观而得名,方解石易于保存并产生了极好的化石记录。三叶虫形态已被广泛研究,但对三叶虫繁殖知之甚少。罕见的例子包括那些在可能是雌性标本的头部下方发现的未受精卵,以及在寒武纪沉积在沉积物中的受精卵簇。。然而,三叶虫的繁殖行为,包括它们的交配和受精,实际上仍然是未知的。

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Olenoides serratus 交配重建

Olenoides serratus 交配的重建:a) 显示雄性附肢与雌性外骨骼对齐的图表。b) 交配位置的艺术重建。图片来源:Holly Sullivan (https://www.sulscientific.com/)

Losso 致力于全面重新描述Olenoides的形态,他研究并拍摄了可从皇家安大略博物馆、加拿大地质调查局和史密森尼学会的无脊椎动物古生物学收藏中获得的每一个Olenoides serratus标本。锯齿鱼从北美的几个地点已知,但所有附肢保存完好的标本都是从加拿大不列颠哥伦比亚省的伯吉斯页岩中收集的。与外骨骼不同,附属物(触角、腿和鳃)不会经常保存,因为它们没有用方解石加固。附属物的保存需要在埋葬时具有独特的条件,这些附属物存在于 Burgess 页岩和其他具有特殊化石保存的稀有地点。在检查保存在皇家安大略博物馆的 Burgess 页岩的一块保存完好的化石时,Losso 在身体中部发现了一种特殊修饰的扣状腿,类似于成年雄性马蹄蟹的腿,这表明了类似的交配策略。

洛索检查了 65 个标本,其附件保存至今。23 个标本的腿保存在身体的正确部位,在那里发现了类似扣子的附肢;然而,由于尺寸减小,即使存在完整的外骨骼扣环,也不会可见。四个标本提供了第十和第十一对附肢的清晰视图,但只有一个锯齿形O. serratus 标本显示被修改为扣环。其他三个具有可见附肢对的标本具有更传统的腿状外观。

锯齿状三叶虫标本

锯齿状三叶虫成年雄性标本,带扣子: a) 部分。b) 对应部分。

尽管带扣环的锯齿鱼标本缺失了一半的外骨骼,但它对研究人员有利。“这个标本是真正独一无二的,因为它保存完好,足以展示四肢的特殊细节,它们被修改成扣子,但被打破了,所以我们实际上可以看到这些被背部外骨骼覆盖的缩小的四肢,”Losso 说。“具有讽刺意味的是,如果标本用完整的背侧外骨骼保存得更好,我们就不会像现在这样掌握关于它四肢的信息。”

Losso 对减少的附肢的各个部分进行了多次测量,并将它们与同一标本体内的附肢以及从同一位置的不同Olenoides中已知的附肢进行比较。这表明较小的附属物具有仅从该标本中得知的独特形态。洛索随后检查了其他活节肢动物的特殊附肢,以进行比较并了解这些附肢的用途。

有数千种三叶虫有 2 亿年的历史。但如果没有近亲,就很难知道生殖行为。马蹄蟹虽然与三叶虫没有密切的关系,但经常被用作现代类似物,因为它们表面上看起来像三叶虫,因此可以进行有用的比较。鲎,如鲎,是海洋节肢动物,以特拉华州和科德角海岸的大规模产卵活动而闻名。在这些事件中,雄性使用它们的扣子抓住雌性,这样它们就可以正确定位以使雌性释放的卵受精。

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扣环是常见于雄性节肢动物中的特殊钩状附属物。雄性在交配时使用扣子抓住雌性。根据该进化枝中交配的确切模式,不同的群体在身体的不同部位会聚地进化出这种附属物。鳃足类动物和马蹄蟹都进化出了梆子,但它们根据雌性的外骨骼以不同的方式发挥作用。例如,鳃足类动物紧贴在甲壳上,而则紧贴在刺上。在O. serratus中,雄性的梆子会与雌性尾骨上的刺对齐。

“我们知道它不能用于咀嚼,因为附肢不在头部或嘴巴附近,它们位于身体中间,”洛索说。“这显示了三叶虫的性别二态性,但在这种情况下,它只在附属物中表达。这告诉我们更多关于三叶虫的繁殖以及它们如何交配的信息,这在以前很难理解,并且根据现代类比一直是非常推测的。”

“很少有化石能直接影响生殖生态和行为,尤其是在这么古老的化石中。在这种情况下,因为有一个结构非常适合这个功能,所以有可能提出这个特殊的论点,尤其是三叶虫,”Ortega-Hernández 说。“这真的是第一次有可能展示这些为这个功能进行了如此大量修改的肢体。它提供了强有力的证据表明鲎,或类似鲎的行为,已经完全通过收敛存在于寒武纪。因此,它确实有助于我们了解这些动物在数百万年前实际上是如何生活的。”

“三叶虫可以帮助我们了解最丰富、最多样化的动物群体的进化,并深入了解早期动物的生殖生态,”Losso 说。

参考文献:“寒武纪中叶锯齿鱼中的钩爪表明三叶虫中的鲎类交配”,2022 年 5 月 6 日,地质学
DOI:10.1130/G49872.1

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