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1亿年前动物如何“造娃”? 琥珀中巨型精子告诉你答案

时间:2020-09-23 09:48:42    来源:科技日报    

中、德、英三国古生物学者在1亿年前的白垩纪缅甸琥珀中,发现了迄今最早的动物精子,将相关化石记录时间提前了约5000万年。

动物最早的精子什么样?一种动物为何上亿年来保持同一种交配方式?看起来小不点的家伙,为何拥有巨型精子?

9月16日,中国科学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为的奥秘。

介形虫是一种具有双瓣壳的水生微型甲壳类动物,大小通常1毫米左右。现生的介形虫有上万种之多,别看它体型微小、毫不起眼,但是生命力和适应能力极其强大,而且它在地球上已经生存了将近5亿年,比起人类可久远得多。

2017年,中国科学院南京地质古生物所获得一块来自缅甸的琥珀化石,利用高分辨率显微断层扫描技术(显微CT)对琥珀中保存有软躯体的白垩纪介形虫化石标本进行了研究,发现介形虫利用巨型精子进行有性生殖的行为在一亿年前就已存在,该结果使已知最早的动物精子记录提前了至少5000万年。相关成果于9月16日作为封面论文在线发表于英国《皇家学会会刊—B辑》上。

精子长度是虫身的三分之一

在一个装满了淡绿色水的量杯中,一些白色的“小点点”,正在水草中来回穿梭、游来游去。“这些就是现生的介形虫,是我在户外一个积满雨水的托盘中发现的。”中国科学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,王贺博士和该所王博研究员等发现一枚独特的琥珀化石,透明的琥珀中夹杂着一些黑色的小点。经过协商,他们把这枚琥珀化石带回所里通过显微镜观察发现,这些黑色的小点就是介形虫。

“介形虫在海相和陆相的沉积岩中很常见,但是琥珀化石非常罕见,这是已知发现的第二枚,但是另一枚没有保存介形虫的软躯体。”王贺告诉科技日报记者,该枚琥珀重0.676克,长17.5毫米、宽13.5毫米、厚4毫米,共保存了39个介形虫化石标本。介形虫个体最大0.59毫米,最小0.24毫米。

经过与德国和英国科研人员合作,他们利用显微CT对其中的11个标本进行分析,通过近一年的高精度三维图像重建工作,精细还原了这些介形虫的壳体和软躯体的形态特征,包括附肢、抱握器、曾克氏器(精子泵)、半阴茎、储精囊、卵和巨型精子。

“显微CT的好处是可以不破坏化石,就能获得完整的三维立体成像,对于这类微小化石的研究特别重要。”王贺说道。

通过显微CT,研究人员看到了不可思议的一幕:这些白垩纪的介形虫,拥有巨型精子,长度达到200微米,也就是0.2毫米,是它身长的1/3。要知道,人类的精子长度只有20微米而已。

“这个比例是非常惊人的,大家可以想象一下,如果人类的精子也达身高的1/3,是什么样子。”王贺说,更重要的是,这些精子刷新了动物界最早精子的纪录,此前是在南极发现的5000万年前环节动物的精子化石。

有性生殖行为1亿年前就已存在

介形虫一般生活在水体之中,淡水咸水中都有它们的身影。

经过还原,这枚琥珀化石中的介形虫当时生活在靠近海边的泻湖中,湖边长满了红树林。它们归属于三个不同的类群,并含有从幼年到成年的较完整发育序列。

某一天,一大滴树胶滴落在湖边的浅滩上,这些介形虫瞬间被包裹在其中,动弹不得。它们的外壳和软躯体都得到完整的保留。

“绝大多数介形虫化石只保存有钙化的壳,软体部分(附肢和身体等)通常难以保存下来。但这些软体结构往往能够提供许多重要的古行为学信息,如生殖行为。”王贺说,所以科学家只知道数亿年前介形虫就已存在,却不知它们如何生活繁衍。

基于化石功能形态学分析及现生介形虫的形态和生态学观察,研究人员发现化石中的介形虫与现生种类具有相同的抱握器、曾克氏器(精子泵)、半阴茎、储精囊、巨型精子等。

他们研究认为,在一亿年前,介形虫在进行有性生殖时,雄性通过钩状抱握器抓住雌性并将半阴茎伸入雌性个体内。交配过程中,雄性通过曾克氏器(精子泵)将巨型精子送入雌性体内。这一过程长达数十分钟之久。

巨型精子进入雌性体内后,被储存在储精囊内,随后精子开始具有活性,并与卵子结合完成受精过程。

“在雌性介形虫储精囊内有许多巨型精子,像一团乱麻一样缠绕在一起,但是雄性一次交配只能射出一枚精子,至于究竟哪颗精子能与卵子结合,可能是随机也可能由雌性介形虫选择。”王贺介绍说。

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一亿年前就已存在。

“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为,为演化停滞现象提供了一个重要实例。”王贺告诉记者。

研究介形虫化石有助重建古环境

介形虫化石不仅具有重要的生物地层学意义,在油气勘探中是不可或缺的化石门类之一,而且在古环境重建和生物演化研究中也扮演着重要的角色。

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,它们需要借助显微镜才能看到。

微体化石堪称寻找地球资源的“金钥匙”,科学家通过研究微体化石就能解决勘探和寻找能源的地层问题。

石油、天然气、煤炭和页岩气都和古生物有非常密切的关系,动植物大量死亡之后经过地层学的埋藏最后才能形成能源。

当钻到地下7000米取岩芯时,成本非常高,样品也很少,大的生物化石很难找到,只能靠这些细小的微体化石才能在岩芯中找到能源留下的蛛丝马迹。

因为微体化石在地层中数量很大,因此具有较强的指示作用,可以帮助科学家确定地层年代,寻找石油、天然气等矿产资源。

专家不仅在显微镜下观察微体化石,还给这些小虫照红外线,进行CT扫描,希望还原它们微米级的形态特征,因为这对中国能源经济非常重要,依靠这些不起眼的小化石,我们或许可能找到石油、天然气、煤炭、页岩气的大宝藏。

“比如这次我们发现的介形虫属于白垩纪,如果地质勘探部门在钻探过程中发现介形虫,那我们就知道上下地层的大致年代,我国的大庆油田产油层就属于白垩纪。”王贺介绍说。

而每种生物都有自己独特生活习性和分布规律,据此及相关的岩性资料可以推测出地层单元形成时的水体环境和气候条件,这种条件反过来又会控制着地层的形成和分布,因而也控制着烃源岩和储集岩的形成和分布。(记者张晔)

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