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古代鲸鱼头骨和定向听觉 扭曲的故事

歪斜的头骨可能有助于早期鲸鱼辨别水中声音的方向,而不是像以前认为的那样,后来的适应与回声定位有关。

密歇根大学的研究人员在一篇发表在“美国国家科学院院刊”网络版上的论文中报道了这一发现。

不对称的头骨是现代鲸鱼群中众所周知的特征,称为牙鲆(齿状鲸)。这些鲸鱼还具有高度改良的鼻结构,用于产生回声定位的高频声音 - 一种用于导航和寻找食物的生物声纳。另一个现代鲸鱼群,mysticetes(须鲸),具有对称的头骨,不会回声。

这些观察结果使科学家们相信,古生物 - 已经灭绝的古代鲸鱼产生了所有现代鲸鱼 - 具有对称的头骨,后来在齿状鲸中形成不对称性,与回声定位一致。但是,UM博士后研究员Julia Fahlke和共同作者对古生物头骨进行的一项新分析表明,不对称性的演变要早得多,这是与水中定向听觉相关的一系列特征的一部分。

“这意味着鲸鱼最初的不对称性与回声定位无关,”Fahlke表示,他正与UM Museum

当Fahlke第一次与Gingerich合作时,她是古生物学的Ermine Cowles案例大学教授,地质科学,生态学和进化生物学和人类学教授,她打算研究鲸鱼进化的一个完全不同的方面:牙齿形态和功能。

“现代鲸鱼不会咀嚼食物,”法尔克说。“齿状鲸只咬它并吞下它,须鲸过滤饲料。但考古学家的牙齿上有特有的磨损模式,表明他们一直在咀嚼食物。”通过研究这些磨损模式,她希望将早期鲸鱼吃的方式和方式以及它们的饮食习惯如何随时间变化。她首先研究了一种生活在3700万年前的蛇类蜥蜴龙的头骨,使用了在UM医学院放射科获得的化石CT扫描生成的三维数字模型。

模型所依据的实际头骨明显不对称,但Fahlke及其同事首先驳回了这种不规则性。

“我们和其他人一样认为,这可能发生在埋葬和化石化过程中,”Fahlke说。“在沉积物的压力下,化石经常变形。”为了纠正变形,共同作者,现在在佛罗里达大学的前UM博士后研究员Aaron Wood在数字模型中理顺了头骨。但是当Fahlke开始使用“矫正”模型时,颌部恰好不能正确地组合在一起。她沮丧地盯着一个真正的头骨,对这个问题感到困惑。

“最后我突然意识到:也许古生物头骨真的是不对称的,”Fahlke说。她没有必要去探索这个想法;美国密歇根大学古生物博物馆拥有世界上最大,最完整的古生物化石收藏品之一。Fahlke开始检查古细菌头骨,令她惊讶的是,“它们都表现出同样的不对称性 - 当你从上到下看它们时向左弯曲,”她说。

为了更严格地研究不对称性,Fahlke及其同事选择了六个保存完好的头骨,这些头骨没有出现人工变形的迹象,并测量了这些头骨与从鼻子到头骨后面的直线的偏差。为了进行比较,他们对偶蹄动物的完全对称的头骨做了类似的测量,偶蹄动物是鲸鱼进化的陆生哺乳动物群。

“总的来说,六个头骨明显偏离对称性,”Fahlke说。“单独来看,其中四个偏差很大。”另外两个看起来不对称,但它们的测量值落在对称比较样本的范围内。

“这表明不对称性比以前想象的要早得多 - 在须鲸和齿鲸分裂之前,”Fahlke说。“这意味着最早的须鲸必须有不对称的头骨,后来变得对称。”

作者还在他们的论文中表明,考古体不对称是一种三维扭转,或扭曲,影响整个头骨,而不仅仅是一个二维弯曲。有趣的是,考古体的结构类似于齿鲸中已知的结构,可以在水中定向听觉发挥作用:下颚中的脂肪体将声波引导到耳朵,每个下颌外侧的骨骼区域足够薄振动并将声波传递到脂肪体内。这种适应性以及耳朵区域与头骨其余部分的声学隔离似乎与不对称性一起演变。

Fahlke说,不对称和定向听力之间的联系并不是鲸鱼独有的。

“猫头鹰有不对称的耳洞,有助于它们分解复杂的声音,解释差异,空间和时间,这样他们就可以区分周围树叶的沙沙声和地面鼠标的沙沙声,”Fahlke说。“当你试图在水中探测猎物时,这种能力也会有所帮助,因此我们认为同样的机制正在为考古体运作。”

除了Fahlke,Gingerich和Wood之外,论文的作者还包括UM医学院放射学和精神病学研究助理教授Robert C. Welsh。

资金由亚历山大·冯·洪堡基金会,国家地理学会和国家科学基金会提供。

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