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海豚跟鲸鱼的鼻孔到底是怎么长到头上去的?

前瞻网    2021-08-07 13:23

 

海豚跟鲸鱼的鼻孔到底是怎么长到头上去的?

现代鲸类动物——包括海豚、鲸鱼和鼠海豚——已经十分适应水生生活:他们有鲸脂来绝缘和鳍来推进和引导。今天的鲸类动物还拥有一种独特的鼻腔通道:它以一个相对于嘴顶或上颚的角度上升,并在头顶上作为一个气孔排出。

对于一个在水中呼吸空气的动物来说,这是一种恰当的适应。然而,在胚胎时期,鲸类的鼻腔通道开始于一个更典型的哺乳动物的位置:与上颚平行,在鼻尖或喙部退出。鲸类专家长期以来一直困惑,在胚胎和胎儿发育过程中,鼻腔通道如何从平行于上颚的路径切换到以喷孔为终点的倾斜方向。

华盛顿大学牙科学院的博士后研究员雷切尔·罗斯顿( Rachel Roston)说:“鲸类动物鼻道方向和位置的转变是一个不同于任何其他哺乳动物的发育过程。” “这是一个有趣的问题,看看哪些部分保持连接,哪些部分改变了方向,以及它们如何通过发展过程协同工作以实现这种变化。”

罗斯顿和杜克大学生物学教授V. 路易斯·罗斯(V. Louise Roth)的新研究揭示了这一过程。通过测量泛热带斑纹海豚胚胎和胎儿的解剖细节,他们确定了使鼻腔通道向上翻转的关键解剖结构变化。他们的研究结果于7月19日发表在《解剖学杂志》上,是鲸类动物发育转变的综合模型。

“我们发现有三个生长阶段,主要是在头部,这可以解释鼻道如何改变方向和位置,”主要作者 罗斯顿说,他在杜克大学攻读博士后开始了这项研究。

成长的三个阶段是:

1.在胚胎发育的最初,鼻腔和口腔是平行的。随着它们之间的区域长成三角形,口腔顶部和鼻道变得分离。这个阶段在面部开始形成后的胚胎发育期间开始,对于泛热带斑点海豚来说,是在受精后的前两个月。

2.与鼻道成一定角度的鼻子(或者说吻部)长得更长,进一步将鼻孔与鼻子尖端分开。这个阶段开始于胎儿发育的后期,甚至可能在出生后继续。

3.头骨向后折叠,头部和身体变得更加对齐。这会使鼻道向上旋转,使其相对于身体轴线几乎垂直。这个阶段从胚胎发育晚期开始,一直持续到胎儿发育。

从这个过程中可以看到,鼻腔在“爬”到头顶的过程中,更多是头骨在发生变化。

罗斯顿说,这三个增长阶段不会逐步展开,而是在时间上相互重叠。它们代表了不同的发育转变,结合在一起,将鼻腔通道转移到头顶。

研究人员使用由史密森学会国家自然历史博物馆和洛杉矶县自然历史博物馆保存的21只胚胎和胎儿泛热带斑点海豚标本的照片和 CT 扫描获得的解剖数据开发了这个模型。这些标本代表了广泛的胚胎和胎儿发育。

为了进行比较,他们从同样位于国家自然历史博物馆的八只长须鲸胎儿中获取数据,发现它们与泛热带斑纹海豚之间存在显着差异。在长须鲸中,头骨在头骨后部的一个区域内折叠,靠近头骨与脊柱的连接处。在泛热带斑纹海豚中,折叠位于头骨中部附近。

罗斯顿和罗斯开发的模型可以告知科学家如何看待鲸类进化。这些生物从5000万年前的四足陆栖哺乳动物祖先进化而来,其鼻腔与上颚平行。随着鲸类动物的进化,气孔逐渐从口鼻部的尖端迁移到口鼻部的后部,然后逐渐上升到头骨的顶部。

此外,这两个物种代表了超过 3000 万年前分化的鲸类家族树的不同分支。海豚——连同鼠海豚、逆戟鲸、抹香鲸和喙鲸——都是齿鲸,通常被称为牙鲸。长须鲸来自须鲸群,因其独特的进食装置而得名。

“我对这项工作的两个有趣发现感到震惊,”罗斯说。“虽然它们都有气孔,但须鲸和齿鲸在发育过程中如何重新定向鼻道方面存在关键差异。此外,令人惊讶的是,伴随着朝上鼻孔的发育过程,脑壳内部发生了深刻的变化。”

罗斯顿说,未来,检查两个谱系的更多物种可以表明是否所有须鲸和齿鲸都以这种方式不同。“该模型为我们提供了使解剖学转变发生所必须发生的发育步骤的假设,并将作为对鲸鱼、海豚和鼠海豚生长和发育的其他研究的比较点。”

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