1億年前動物如何“造娃”？ 琥珀中巨型精子告訴你答案

中、德、英三國古生物學(xué)者在1億年前的白堊紀(jì)緬甸琥珀中，發(fā)現(xiàn)了迄今最早的動物精子，將相關(guān)化石記錄時間提前了約5000萬年。

動物最早的精子什么樣?一種動物為何上億年來保持同一種交配方式?看起來小不點(diǎn)的家伙，為何擁有巨型精子?

9月16日，中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所一場特殊的發(fā)布會，揭開了一億年前介形蟲有性生殖行為的奧秘。

介形蟲是一種具有雙瓣殼的水生微型甲殼類動物，大小通常1毫米左右?，F(xiàn)生的介形蟲有上萬種之多，別看它體型微小、毫不起眼，但是生命力和適應(yīng)能力極其強(qiáng)大，而且它在地球上已經(jīng)生存了將近5億年，比起人類可久遠(yuǎn)得多。

2017年，中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物所獲得一塊來自緬甸的琥珀化石，利用高分辨率顯微斷層掃描技術(shù)(顯微CT)對琥珀中保存有軟軀體的白堊紀(jì)介形蟲化石標(biāo)本進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)介形蟲利用巨型精子進(jìn)行有性生殖的行為在一億年前就已存在，該結(jié)果使已知最早的動物精子記錄提前了至少5000萬年。相關(guān)成果于9月16日作為封面論文在線發(fā)表于英國《皇家學(xué)會會刊—B輯》上。

精子長度是蟲身的三分之一

在一個裝滿了淡綠色水的量杯中，一些白色的“小點(diǎn)點(diǎn)”，正在水草中來回穿梭、游來游去。“這些就是現(xiàn)生的介形蟲，是我在戶外一個積滿雨水的托盤中發(fā)現(xiàn)的。”中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所現(xiàn)代陸地生態(tài)系統(tǒng)起源與早期演化研究團(tuán)隊(duì)的王賀博士告訴記者，在生物分類中介形蟲是一個綱。按照界、門、綱、目、科、屬、種的分類來看，介形蟲的家族很大，現(xiàn)生的介形蟲種類有上萬種。

2017年，王賀博士和該所王博研究員等發(fā)現(xiàn)一枚獨(dú)特的琥珀化石，透明的琥珀中夾雜著一些黑色的小點(diǎn)。經(jīng)過協(xié)商，他們把這枚琥珀化石帶回所里通過顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，這些黑色的小點(diǎn)就是介形蟲。

“介形蟲在海相和陸相的沉積巖中很常見，但是琥珀化石非常罕見，這是已知發(fā)現(xiàn)的第二枚，但是另一枚沒有保存介形蟲的軟軀體。”王賀告訴科技日報記者，該枚琥珀重0.676克，長17.5毫米、寬13.5毫米、厚4毫米，共保存了39個介形蟲化石標(biāo)本。介形蟲個體最大0.59毫米，最小0.24毫米。

經(jīng)過與德國和英國科研人員合作，他們利用顯微CT對其中的11個標(biāo)本進(jìn)行分析，通過近一年的高精度三維圖像重建工作，精細(xì)還原了這些介形蟲的殼體和軟軀體的形態(tài)特征，包括附肢、抱握器、曾克氏器(精子泵)、半陰莖、儲精囊、卵和巨型精子。

“顯微CT的好處是可以不破壞化石，就能獲得完整的三維立體成像，對于這類微小化石的研究特別重要。”王賀說道。

通過顯微CT，研究人員看到了不可思議的一幕：這些白堊紀(jì)的介形蟲，擁有巨型精子，長度達(dá)到200微米，也就是0.2毫米，是它身長的1/3。要知道，人類的精子長度只有20微米而已。

“這個比例是非常驚人的，大家可以想象一下，如果人類的精子也達(dá)身高的1/3，是什么樣子。”王賀說，更重要的是，這些精子刷新了動物界最早精子的紀(jì)錄，此前是在南極發(fā)現(xiàn)的5000萬年前環(huán)節(jié)動物的精子化石。

有性生殖行為1億年前就已存在

介形蟲一般生活在水體之中，淡水咸水中都有它們的身影。

經(jīng)過還原，這枚琥珀化石中的介形蟲當(dāng)時生活在靠近海邊的瀉湖中，湖邊長滿了紅樹林。它們歸屬于三個不同的類群，并含有從幼年到成年的較完整發(fā)育序列。

某一天，一大滴樹膠滴落在湖邊的淺灘上，這些介形蟲瞬間被包裹在其中，動彈不得。它們的外殼和軟軀體都得到完整的保留。

“絕大多數(shù)介形蟲化石只保存有鈣化的殼，軟體部分(附肢和身體等)通常難以保存下來。但這些軟體結(jié)構(gòu)往往能夠提供許多重要的古行為學(xué)信息，如生殖行為。”王賀說，所以科學(xué)家只知道數(shù)億年前介形蟲就已存在，卻不知它們?nèi)绾紊罘毖堋?/p>

基于化石功能形態(tài)學(xué)分析及現(xiàn)生介形蟲的形態(tài)和生態(tài)學(xué)觀察，研究人員發(fā)現(xiàn)化石中的介形蟲與現(xiàn)生種類具有相同的抱握器、曾克氏器(精子泵)、半陰莖、儲精囊、巨型精子等。

他們研究認(rèn)為，在一億年前，介形蟲在進(jìn)行有性生殖時，雄性通過鉤狀抱握器抓住雌性并將半陰莖伸入雌性個體內(nèi)。交配過程中，雄性通過曾克氏器(精子泵)將巨型精子送入雌性體內(nèi)。這一過程長達(dá)數(shù)十分鐘之久。

巨型精子進(jìn)入雌性體內(nèi)后，被儲存在儲精囊內(nèi)，隨后精子開始具有活性，并與卵子結(jié)合完成受精過程。

“在雌性介形蟲儲精囊內(nèi)有許多巨型精子，像一團(tuán)亂麻一樣纏繞在一起，但是雄性一次交配只能射出一枚精子，至于究竟哪顆精子能與卵子結(jié)合，可能是隨機(jī)也可能由雌性介形蟲選擇。”王賀介紹說。

該化石研究表明，與現(xiàn)代介形蟲有性生殖相關(guān)的生殖器官(如抱握器、曾克氏器等)至少在白堊紀(jì)中期就已形成，其形態(tài)特征在一億年間沒有發(fā)生改變，同時也進(jìn)一步表明介形蟲的這種利用巨型精子進(jìn)行有性生殖的行為在一億年前就已存在。

“我們認(rèn)為，這種包含巨型精子的復(fù)雜生殖行為提高了介形蟲交配的成功率，促進(jìn)了非海相介形蟲類在晚中生代的輻射演化。而這種持續(xù)上億年不變的有性生殖行為，為演化停滯現(xiàn)象提供了一個重要實(shí)例。”王賀告訴記者。

研究介形蟲化石有助重建古環(huán)境

介形蟲化石不僅具有重要的生物地層學(xué)意義，在油氣勘探中是不可或缺的化石門類之一，而且在古環(huán)境重建和生物演化研究中也扮演著重要的角色。

在地質(zhì)古生物學(xué)研究中，介形蟲與孢粉、有孔蟲、放射蟲等都被稱為微體化石，它們需要借助顯微鏡才能看到。

微體化石堪稱尋找地球資源的“金鑰匙”，科學(xué)家通過研究微體化石就能解決勘探和尋找能源的地層問題。

石油、天然氣、煤炭和頁巖氣都和古生物有非常密切的關(guān)系，動植物大量死亡之后經(jīng)過地層學(xué)的埋藏最后才能形成能源。

當(dāng)鉆到地下7000米取巖芯時，成本非常高，樣品也很少，大的生物化石很難找到，只能靠這些細(xì)小的微體化石才能在巖芯中找到能源留下的蛛絲馬跡。

因?yàn)槲Ⅲw化石在地層中數(shù)量很大，因此具有較強(qiáng)的指示作用，可以幫助科學(xué)家確定地層年代，尋找石油、天然氣等礦產(chǎn)資源。

專家不僅在顯微鏡下觀察微體化石，還給這些小蟲照紅外線，進(jìn)行CT掃描，希望還原它們微米級的形態(tài)特征，因?yàn)檫@對中國能源經(jīng)濟(jì)非常重要，依靠這些不起眼的小化石，我們或許可能找到石油、天然氣、煤炭、頁巖氣的大寶藏。

“比如這次我們發(fā)現(xiàn)的介形蟲屬于白堊紀(jì)，如果地質(zhì)勘探部門在鉆探過程中發(fā)現(xiàn)介形蟲，那我們就知道上下地層的大致年代，我國的大慶油田產(chǎn)油層就屬于白堊紀(jì)。”王賀介紹說。

而每種生物都有自己獨(dú)特生活習(xí)性和分布規(guī)律，據(jù)此及相關(guān)的巖性資料可以推測出地層單元形成時的水體環(huán)境和氣候條件，這種條件反過來又會控制著地層的形成和分布，因而也控制著烴源巖和儲集巖的形成和分布。(記者張曄)

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