第一批脊椎动物捕食者是如何进化出牙齿的 _脊椎动物

田村信武对Promisesum pulchrum的艺术重建-另见spinops.blogspot.com CC，by-SA 4.0

图像（光学显微镜和扫描电子显微镜图像）显示了本研究中使用的牙形石：a.Proconodontus muelleri 。b.Panderodus equicostatus 。c.双斑鱼。d.挖掘机乌米拉。e.纤细的Tripodellus gracilis 。f.Palmatolepis sp.，比例尺150µm 。图片来源：Bryan Shirley等人，2024年
据维也纳大学：研究揭示了最早脊椎动物进食结构进化的驱动因素：最近发表在《自然通讯》上的一项研究表明，牙形石牙齿的内部晶体结构是通过适应咬合和切片过程中的压力而形成的。在进化过程中，通过改变晶体的方向，牙齿状结构变得更耐破裂。
这种类似鳗鱼的小型牙形石在海洋中漫游了大约3亿年，是第一种可以咬人和切肉的脊椎动物。为此，他们开发了微小的牙齿状结构，这是一种进化创新，导致了复杂的海洋营养食物网的发展。
一个国际研究小组现在发现了对最早脊椎动物喂养策略进化和发展的迷人见解。在《自然通讯》发表的一项研究中，Bryan Shirley（牛津仪器公司）和一个国际研究小组——其中包括来自古生物学系的Isabella Leonhard和来自维也纳大学地质系的Michel Bestmann——揭示了牙形石的微小牙齿状结构是如何通过进化变得更像牙齿的：更硬、更锋利。古生物学家伊莎贝拉·莱昂哈德解释说：“我们与牙齿相关的这些特征并没有立即出现，而是通过牙齿内部结构的逐渐改善而出现的，正如我们在研究中所展示的那样。” 。“我们能够通过使用微观结构分析技术来展示这些进化适应。”
基于牙齿化石研究脊椎动物的进化
牙形刺是寒武纪（约5.4亿年前）海洋生态系统中大量存在的小型鳗鱼状动物，但随着三叠纪-侏罗纪边界（2.01亿年前的大规模灭绝）而灭绝。他们的化石记录几乎完全由微观矿物牙齿组成。这些牙齿是化石记录中出现的第一个坚硬的脊椎动物化石，形状多样，从锥形到复杂的平台状和叶片状形态（见图）。乌得勒支大学的项目负责人Emilia Jarochowska说：“这种形状多样性也反映了各种各样的喂养策略，从滤食和扫食，到捕食者的角色。” 。
第一颗掠食性牙齿矿化？
几十年来，牙形石的多样性一直让科学界着迷。因此，当时乌得勒支大学的博士后研究员Bryan Shirley决心找出这些动物是如何发展出如此多样化的喂养策略的。Shirley与项目负责人Emilia Jarochowska一起，并与来自埃尔兰根弗里德里希亚历山大大学、维也纳大学、华沙大学、牛津大学、美国地质调查局以及摩德纳和雷焦艾米利亚大学的国际研究人员合作，开始检验一个古老的假设，即牙形石牙齿的内部晶体结构是通过适应咬合和切片过程中的压力而形成的，并且通过改变晶体的方向，变得更耐破裂。
该团队与材料科学专家合作，采用电子背散射衍射和拉曼光谱等先进技术来分析牙形石牙齿的超微结构。他们研究了从锥形到复杂平台类型的各种形式的物种（见图）。为了获得代表不同喂养策略和进化阶段的牙形石，他们与美国和波兰的研究人员合作。电子背散射衍射揭示了牙形石牙齿中微观晶体的排列。
早期牙齿中的晶体组织不良
分析显示，在早期牙齿中，晶体组织不良，因此更容易断裂。相比之下，更先进的复杂牙形石显示出高度有序的晶体结构，使它们的牙齿更容易断裂。
Emilia Jarochowska说：“结果表明，晶体越来越多地沿着它们在叮咬过程中能够承受压力的方向排列，这对动物捕捉猎物是有利的。”“因此，我们能够证明早期脊椎动物对骨骼形成的发育控制越来越强，从而能够进化出多样化和有效的牙齿形状和功能。”
牛津大学自然历史博物馆的邓肯·默多克是该项目的合作者之一，他说：“尽管3亿年来牙形石在海洋岩石中无处不在，但我们对牙形石是如何进食的，或者是什么促使它们进化出如此令人困惑的进食装置形状知之甚少。我们的研究利用元素本身的内部结构来开始解开这些谜团。”
出版物
Bryan Shirley、Isabella Leonhard、Duncan J.E.Murdock、John Repetski、Przemysławświś、Michel Bestmann、Pat Trimby、Markus Ohl、Oliver Plümper、Helen E.King和Emilia Jarochowska（2024）：加强对牙形石进化中生物矿化的控制。《自然通讯》第15期，第5273页。https://doi.org/10.1038/s41467-024-49526-0https://doi.org/10.1038/s41467-024-49526-0