
澳洲研究團隊最新重建的爬行動物演化譜系顯示,蜥蜴皮膚中如同“鎖子甲”的骨質小板——皮內成骨(osteoderms),並非傳統觀點所說的古老遺存,而是在多個譜系中於漫長演化史上反复、獨立產生甚至“捲土重來”,這一結果顛覆了生物學界延續一個多世紀的共識。
來自維多利亞博物館研究所(MVRI)的科學家在最新研究中指出,這些埋藏在皮膚中的骨板,並不是大多數蜥蜴從共同祖先那裡繼承下來、隨後部分支繫再度丟失的古老特徵,相反,多數蜥蜴的皮內成骨是在不同譜系中晚期多次獨立進化而成,有些甚至發生在相關類群最初失去骨甲後的數千萬年後。 研究團隊稱,許多蜥蜴等於從零開始「重造」並優化了自身的防護裝甲,展現出一種罕見的演化「再創新」現象。
這一趨勢在巨蜥類身上體現得特別典型,尤其是在澳洲。研究顯示,包括澳洲戈安納巨蜥在內的早期巨蜥祖先,曾在演化過程中完全失去皮內成骨,原因很可能是主動追獵生活方式對速度與靈活性的需求高於厚重裝甲所提供的防護。 然而在約1700萬至2000萬年前的中新世,部分澳洲及巴布亞巨蜥的共同祖先再次演化出了更輕、更靈活的骨質皮甲,被認為與其擴散至乾旱環境、面對新的生態壓力有關。 研究人員推測,在這些環境中,皮內成骨除了提供防禦,還可能有助於減少水分流失,或強化身體特定部位以適應攀爬等行為。
「這項發現再次凸顯澳洲在演化史上的獨特地位:這裡不僅有占主導地位的有袋類和會下蛋的哺乳動物,如今還成了已知唯一發生爬行動物皮內成骨『回歸』的地方。」論文第一作者、MVRI和澳洲國立大學研究員羅伊·埃貝爾(Roy Ebel)表示。
在這項工作中,研究團隊以約3.2億年的時間尺度重建了有鱗類爬行動物——包括蜥蜴和蛇——皮內成骨的演化歷史。 科學家綜合分析了643種現生和已滅絕物種,借助高分辨率CT成像數據標繪不同物種體表骨板的分佈,再與大規模分子系統樹及化石記錄進行比對,並採用允許不同時間段演化速率變化的模型推演祖先類群是否具備皮內成骨,從而獲得迄今最為全面的骨甲演化圖景。
結果顯示,最早的蜥蜴祖先幾乎可以肯定完全缺乏皮內成骨,這項特徵在蜥蜴剛出現後的數千萬年間一直處於「缺席」狀態。 研究指出,皮內成骨在現代蜥蜴各大類群中至少獨立起源了13次,其中大多數發生在約1.4億年前的晚侏羅世至早白堊世這一相對集中的時間窗口,恰逢多個主要譜系開始迅速分化的階段。
一旦皮內成骨在某一蜥蜴譜系中出現,它通常會被長期保留下來。研究發現,在多數現代蜥蜴類群中,後期再度失去骨甲的情況十分罕見,這使得皮內成骨成為穩定的長期演化特徵。 巨蜥類是唯一顯著的例外:它們大約在7,200萬年前徹底失去了皮內成骨,隨後在中新世又在部分澳洲和巴布亞譜系中以更輕巧的形式重新出現,形成了今天世界上同時存在披甲與非披甲巨蜥物種的「補丁式」分佈格局。
研究同時強調,皮內成骨的功能遠不止「護甲」那麼簡單。與骨骼不同,這些骨板是在皮膚內形成的,具有多重生理與生態作用。 在鱷類中,皮內成骨被證實可以在動物長時間潛水時釋放鈣,幫助中和血液中累積的酸,從而維持體內酸鹼平衡。 此外,這些骨板也參與體溫調節、礦物質儲存及水分保持等過程,是一種多功能的生物結構,其演化起源在過去一直缺乏清晰解釋。
透過現生蜥蜴高精準度CT掃描資料的比對與系統發育建模,研究團隊得以繪製出皮內成骨在不同譜系中出現、消失甚至復現的時間軸。 化石記錄顯示,早在一億多年前,地球上就已存在形態多樣的骨質裝甲板,如今這些資訊被納入統一框架,為現代爬行動物骨甲的起源和演化提供了更明晰的時間線。
新成果也為理解形態「趨同演化」提供了典型實例。研究指出,美國和墨西哥原產的毒蜥(Heloderma suspectum),外觀上與澳洲本土的瓦帶石龍子(Tiliqua rugosa,俗稱石龍子)非常相似,均披覆明顯的骨質裝甲,但兩者走向類似體型與防護結構的演化路徑完全不同。 這現象與飛行能力在昆蟲、翼龍、鳥類和蝙蝠中至少四次獨立進化的模式相呼應,提示類似生態需求可在不同演化路線中反覆「催生」相近的形態解決方案。
對動物學家和演化生物學家而言,這份新的演化地圖不僅解答了一個圍繞皮內成骨起源的百年爭論,也為後續深入研究其形成機制奠定了基礎。 未來工作有望進一步揭示控制皮內成骨生成的基因與發育通路,以及這些機制如何在不同蜥蜴譜系中被多次、獨立地「調動」起來,以滿足不同環境與生活方式的需求。
「我們的研究表明,有鱗類的皮內成骨表達來自多次獨立獲得。」作者在論文結論中寫道,「這項重建為該假說提供了迄今最有力的支持,也為探討相關演化機制提供了堅實基礎。」研究團隊強調,這些發現有助於更好理解塑造當今動物多樣性的選擇壓力和演化軌跡。 相關論文已發表在《林奈學會生物學期刊》(Biological Journal of the Linnean Society),並透過維多利亞博物館與學術平台對外發表。