1億年前動物怎麼“造娃”? 琥珀中巨型精子告訴你答案

2020年09月23日13:01  來源:科技日報
 

中、德、英三國古生物學者在1億年前的白堊紀緬甸琥珀中,發現了迄今最早的動物精子,將相關化石記錄時間提前了約5000萬年。

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

9月16日,中國科學院南京地質古生物研究所一場特殊的發布會,揭開了一億年前介形虫有性生殖行為的奧秘。

介形虫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。現生的介形虫有上萬種之多,別看它體型微小、毫不起眼,但是生命力和適應能力極其強大,而且它在地球上已經生存了將近5億年,比起人類可久遠得多。

2017年,中國科學院南京地質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(顯微CT)對琥珀中保存有軟軀體的白堊紀介形虫化石標本進行了研究,發現介形虫利用巨型精子進行有性生殖的行為在一億年前就已存在,該結果使已知最早的動物精子記錄提前了至少5000萬年。相關成果於9月16日作為封面論文在線發表於英國《皇家學會會刊—B輯》上。

精子長度是虫身的三分之一

在一個裝滿了淡綠色水的量杯中,一些白色的“小點點”,正在水草中來回穿梭、游來游去。“這些就是現生的介形虫,是我在戶外一個積滿雨水的托盤中發現的。”中國科學院南京地質古生物研究所現代陸地生態系統起源與早期演化研究團隊的王賀博士告訴記者,在生物分類中介形虫是一個綱。按照界、門、綱、目、科、屬、種的分類來看,介形虫的家族很大,現生的介形虫種類有上萬種。

2017年,王賀博士和該所王博研究員等發現一枚獨特的琥珀化石,透明的琥珀中夾雜著一些黑色的小點。經過協商,他們把這枚琥珀化石帶回所裡通過顯微鏡觀察發現,這些黑色的小點就是介形虫。

“介形虫在海相和陸相的沉積岩中很常見,但是琥珀化石非常罕見,這是已知發現的第二枚,但是另一枚沒有保存介形虫的軟軀體。”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個介形虫化石標本。介形虫個體最大0.59毫米,最小0.24毫米。

經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個標本進行分析,通過近一年的高精度三維圖像重建工作,精細還原了這些介形虫的殼體和軟軀體的形態特征,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,對於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:這些白堊紀的介形虫,擁有巨型精子,長度達到200微米,也就是0.2毫米,是它身長的1/3。要知道,人類的精子長度隻有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身高的1/3,是什麼樣子。”王賀說,更重要的是,這些精子刷新了動物界最早精子的紀錄,此前是在南極發現的5000萬年前環節動物的精子化石。

有性生殖行為1億年前就已存在

介形虫一般生活在水體之中,淡水咸水中都有它們的身影。

經過還原,這枚琥珀化石中的介形虫當時生活在靠近海邊的瀉湖中,湖邊長滿了紅樹林。它們歸屬於三個不同的類群,並含有從幼年到成年的較完整發育序列。

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

“絕大多數介形虫化石隻保存有鈣化的殼,軟體部分(附肢和身體等)通常難以保存下來。但這些軟體結構往往能夠提供許多重要的古行為學信息,如生殖行為。”王賀說,所以科學家隻知道數億年前介形虫就已存在,卻不知它們如何生活繁衍。

基於化石功能形態學分析及現生介形虫的形態和生態學觀察,研究人員發現化石中的介形虫與現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。

他們研究認為,在一億年前,介形虫在進行有性生殖時,雄性通過鉤狀抱握器抓住雌性並將半陰莖伸入雌性個體內。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。這一過程長達數十分鐘之久。

巨型精子進入雌性體內后,被儲存在儲精囊內,隨后精子開始具有活性,並與卵子結合完成受精過程。

“在雌性介形虫儲精囊內有許多巨型精子,像一團亂麻一樣纏繞在一起,但是雄性一次交配隻能射出一枚精子,至於究竟哪顆精子能與卵子結合,可能是隨機也可能由雌性介形虫選擇。”王賀介紹說。

該化石研究表明,與現代介形虫有性生殖相關的生殖器官(如抱握器、曾克氏器等)至少在白堊紀中期就已形成,其形態特征在一億年間沒有發生改變,同時也進一步表明介形虫的這種利用巨型精子進行有性生殖的行為在一億年前就已存在。

“我們認為,這種包含巨型精子的復雜生殖行為提高了介形虫交配的成功率,促進了非海相介形虫類在晚中生代的輻射演化。而這種持續上億年不變的有性生殖行為,為演化停滯現象提供了一個重要實例。”王賀告訴記者。

研究介形虫化石有助重建古環境

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

在地質古生物學研究中,介形虫與孢粉、有孔虫、放射虫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、煤炭和頁岩氣都和古生物有非常密切的關系,動植物大量死亡之后經過地層學的埋藏最后才能形成能源。

當鑽到地下7000米取岩芯時,成本非常高,樣品也很少,大的生物化石很難找到,隻能靠這些細小的微體化石才能在岩芯中找到能源留下的蛛絲馬跡。

因為微體化石在地層中數量很大,因此具有較強的指示作用,可以幫助科學家確定地層年代,尋找石油、天然氣等礦產資源。

專家不僅在顯微鏡下觀察微體化石,還給這些小虫照紅外線,進行CT掃描,希望還原它們微米級的形態特征,因為這對中國能源經濟非常重要,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、頁岩氣的大寶藏。

“比如這次我們發現的介形虫屬於白堊紀,如果地質勘探部門在鑽探過程中發現介形虫,那我們就知道上下地層的大致年代,我國的大慶油田產油層就屬於白堊紀。”王賀介紹說。

而每種生物都有自己獨特生活習性和分布規律,據此及相關的岩性資料可以推測出地層單元形成時的水體環境和氣候條件,這種條件反過來又會控制著地層的形成和分布,因而也控制著烴源岩和儲集岩的形成和分布。(本報記者 張 曄)

(責編:羅彬月、陳康清)

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