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嗅嗅闻闻:研究人员说,嗅闻会产生更聪明的哺乳动物

化石研究描述了朝着大且复杂的脑组织发育的3个关键性的进化步骤

Hadrocodium wui 的颅骨。

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无论叫什么名字,玫瑰都会有芳香的气味;这一名言可能是哺乳动物所独有的灵敏嗅觉的一个见证。古生物学家如今发现,一种改善了的嗅觉启动了当今哺乳动物的远古表亲的脑子的进化。这一研究将在2011年5月20日刊的《科学》杂志上发表。《科学》杂志由AAAS这一国际性非营利性科学学会所出版。

这些发现可帮助解释为什么哺乳动物会进化出如此大且复杂的脑子。在某些情况下,动物的脑组织会膨胀至相当于10倍于身体体形的尺度。通过重新构建2种早期侏罗纪时期的哺乳动物(摩根兽和巨颅兽)的化石,文章的作者为哺乳动物的脑子是以三个重大阶段进化的理论提供了新的证据:第一阶段是改善嗅觉;然后是增加通过体毛的触觉;第三是改善神经肌肉协调或应用感官来产生体现技能的肌肉运动。

德克萨斯大学奥斯汀分校的脊椎动物古生物学实验室负责人及本文的主要作者Tim Rowe说: “现在我们对哺乳动物早期进化中的历史性事件的发生顺序及不同的感觉系统的相对重要性有了更好的了解。它描绘出了一个有关先祖哺乳动物及我们自己的祖先究竟是什么样子以及其行为方式的更为生动的画面。”

这一研究应用了一种叫作X射线电脑断层摄影(或CT)的医疗成像技术重构了来自中国的1亿9000万年前的摩根兽和巨颅兽的化石的脑模型或颅腔模型。这些极其细小的地鼠样的动物被认为是现存哺乳动物的前体或“前-哺乳动物”。一个脑子的颅腔模型是容纳脑的空间或空腔的一个模型。在本研究中使用的脑颅腔模型是通过化石作用而自然发生的。

CT技术是分析脆弱的化石所不可或缺的,因为它可令研究人员在无须为了暴露颅腔而破坏化石的情况下创制出一个化石性脑腔的精确三维画面。

Rowe的团队耗费了数年的时间在德克萨斯大学奥斯汀分校的高分辨率X射线电脑断层摄影机构用CT来扫描了十几个前哺乳动物脑子的颅腔模型 。这些扫描已在互联网上存档,并供人们自由获取 www.digimorph.org

这些三维的画面给了研究人员,这些化石的脑腔和鼻腔的一个放大了的内视图。该研究团队观察到,在这些前哺乳动物的化石中,其鼻腔及相关的嗅觉区域有所增大,同时增大的还有脑中的那些处理嗅觉资讯的区域。这两组特征表明,在前哺乳动物中,其嗅觉有所改善。

该研究还查看了体毛的发育对脑子尺度的影响。例如,回形针大小的巨颅兽长着皮毛,而与其密切相关动物的毛皮或皮肤的化石提示摩根兽可能也长有体毛。文章的作者猜测,多毛的早期哺乳动物很快就发育出了灵敏的触觉,以及增强了的运动协调性。

动物的体毛原先并非用于保暖,而是作为一种及其细小的空中交通控制器,使得前哺乳动物能够在小缝隙中行进并避免受到伤害。文章的作者提出,这种增强的触觉敏感性最终导致了在哺乳动物脑子的新皮层中复杂的感觉区域的形成。

由于新皮层与诸如感官知觉及运动指令的产生等作业有关,其功能的提高可能会导致早期哺乳动物运动技能的精微调节及神经肌肉的协调。在这两个化石中,其小脑(这是脑中负责感觉-运动整合的区域)的尺度生长到如此之大,使得其开始起波纹而形成折叠;这一尺度的增加支持早期哺乳动物已发展出了高级的神经肌肉协调的观念。

与其它种群哺乳动物(如那些叫做犬齿兽的原始爬行动物)化石的脑子颅腔模型进行比较之后显示,摩根兽和巨颅兽的脑子几乎要比哺乳动物的前体动物的脑子大50%。整体来看,这些结果提示,早期哺乳动物的探索大量的以气味占主导的资讯的能力使得它们与即使是它们最近的已经灭绝的亲族相比也存在着极大的差异。

Rowe说:“既然我们对先祖哺乳动物的脑子有了一个概貌,我们计划对哺乳动物随着进化和多样化而随之发生的脑子及感觉系统的多元化进行探索。这将使人们揭开新的秘密,这些秘密反映了哺乳动物脑子和极端感觉适应(如鸭嘴兽中的电感觉及鲸鱼和蝙蝠中的声纳)的进化有多么巨大。这一切都非常令人兴奋!”

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这项研究是由国立科学基金会、德克萨斯大学杰克逊地球科学学院及中国国家自然科学基金会赞助的。

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