中國科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所倪喜軍研究員參與的一個(gè)國際研究小組利用世界最大的包含形態(tài)和遺傳特征的數(shù)據(jù)集,，重建了有胎盤類哺乳動(dòng)物的共同祖先-這個(gè)多樣性極高的動(dòng)物類群包括了嚙齒類、鯨魚,、人類等,。
圖1 有胎盤類哺乳動(dòng)物的祖先,，一種小型的食蟲的動(dòng)物（Carl Buell繪制）
圖2 利用系統(tǒng)表型學(xué)建立的有胎盤類動(dòng)物新的生命之樹（Luci Betti Nash供圖）
在2月7日出版的《科學(xué)》雜志上發(fā)表的研究中，這些科學(xué)家揭示出,，直到大約6500萬年前導(dǎo)致非鳥恐龍和地球上差不多70%的物種滅絕的事件發(fā)生之后,，有胎盤類哺乳動(dòng)物的現(xiàn)生世支系才開始分化出來，這與以往普遍接受的理論相矛盾,。根據(jù)他們的形象化重建,，有胎盤類哺乳動(dòng)物的祖先是一種小型的食蟲的動(dòng)物。這些結(jié)果都是借助了強(qiáng)大的基于云技術(shù)和開放的,、被稱為形態(tài)庫的數(shù)據(jù)庫才得以取得,。《科學(xué)》雜志上發(fā)表的這篇文章是在美國國家科學(xué)基金會(huì)重建生命之樹計(jì)劃的資助下,，經(jīng)過多年的合作研究而取得的一項(xiàng)成果,。
這項(xiàng)研究的主導(dǎo)作者、身兼紐約州立大學(xué)石溪分校醫(yī)學(xué)院解剖科學(xué)系的副教授和美國自然歷史博物館客座研究員的莫琳·奧利里指出：“通過分析巨大的數(shù)據(jù)庫,，我們發(fā)現(xiàn)有胎盤類哺乳動(dòng)物并不是起源于中生代,，象嚙齒類和靈長類這些物種，并沒有與非鳥恐龍同時(shí)生活在地球上,，相反,，它們都是在恐龍消亡之后的很短的時(shí)間里，共同起源于一種小型的,、食蟲的、善于跑跳的祖先,。
用來構(gòu)建生命演化樹的數(shù)據(jù)有兩種主要的類型：一種是表型數(shù)據(jù),，也就是可觀察的解剖和行為特征；另一種是DNA所編碼的基因數(shù)據(jù),。一些學(xué)者認(rèn)為,，構(gòu)建強(qiáng)有力的系統(tǒng)樹需要整合兩種類型的數(shù)據(jù)，因?yàn)闊o論是基因數(shù)據(jù)還是表型數(shù)據(jù),，單一采用任何一種都會(huì)遺漏另外一類有效信息,。研究有胎盤類動(dòng)物的演化歷史就是一個(gè)例子，分析的數(shù)據(jù)不同,，結(jié)論就完全不同,。一項(xiàng)領(lǐng)先的僅基于基因數(shù)據(jù)的分析推測,，某些有胎盤類哺乳動(dòng)物支系在晚白堊紀(jì)就已經(jīng)存在，并且在白堊紀(jì)－古近紀(jì)界線附近的生物絕滅事件中得以幸存,。另一些研究推測,，有胎盤類哺乳動(dòng)物的起源時(shí)間在白堊紀(jì)－古近紀(jì)界線附近，還有一些則認(rèn)為完全是在生物滅絕事件之后,。
“現(xiàn)生有胎盤類動(dòng)物超過5100種,，無論是體型大小、運(yùn)動(dòng)能力還是腦容量,，都具有極高的多樣性,。”文章的作者、美國自然歷史博物館哺乳動(dòng)物學(xué)系的研究館員南希?西蒙斯這樣說,，“如此高的多樣性,，探討這一分支最初出現(xiàn)和分化的時(shí)間與方式當(dāng)然是非常有意義的。”
為了得到更完整的生命之樹,，新的研究合并分析了基因和表型數(shù)據(jù),。
同是作者之一的美國自然歷史博物館資深副館長兼科學(xué)主任、古生物學(xué)館員邁克爾?諾瓦切克指出：“盡管在有關(guān)物種關(guān)系的研究中,，DNA序列數(shù)據(jù)起到非常重要的作用,，但是表型數(shù)據(jù)在直接構(gòu)建樹的過程中起到主要的作用。這些表型數(shù)據(jù)包括了保存在化石中的特征,，而化石中保存DNA通常是不可能的,。哺乳動(dòng)物的化石記錄非常豐富，我們當(dāng)然不想丟掉化石中的直接證據(jù)來構(gòu)建系統(tǒng)樹,。”
“發(fā)現(xiàn)生命之樹就如同重建犯罪現(xiàn)場,，故事發(fā)生在過去，你不可能重復(fù)”,。奧利里這樣來形容,，“對于犯罪現(xiàn)場，DNA這一新工具增加了重要的信息,，但是其它的實(shí)體線索,，比如尸體也同樣重要。在科學(xué)領(lǐng)域,，化石和解剖結(jié)構(gòu)就如同犯罪現(xiàn)場中的尸體,，只有把所有的證據(jù)都結(jié)合起來才能對過去的事件做出信息量最大的重建。”
這項(xiàng)研究建立的生命之樹顯示,，在白堊紀(jì)－古近紀(jì)生物絕滅事件之后,，有胎盤類哺乳動(dòng)物快速崛起，祖先的物種分化發(fā)生在滅絕事件之后的20到40萬年間。
“這比單純依據(jù)基因數(shù)據(jù)推測的時(shí)間晚了3600萬年”,，做為作者之一的馬塞洛?維克斯勒進(jìn)一步指出,。他現(xiàn)在已經(jīng)在巴西里約熱內(nèi)盧聯(lián)邦大學(xué)國家博物館工作，同時(shí)也是美國自然歷史博物館哺乳動(dòng)物學(xué)系的客座研究員,。
這項(xiàng)研究結(jié)果還與基于基因數(shù)據(jù)的,、被稱為“白堊紀(jì)陸地革命”的理論相矛盾。根據(jù)“白堊紀(jì)陸地革命”理論,，發(fā)生在侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)的岡瓦納超大陸的解體,，是有胎盤類哺乳動(dòng)物物種分化的策動(dòng)力。
“新的生命之樹顯示,，岡瓦納超大陸的解體,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)發(fā)生在有胎盤類哺乳動(dòng)物的起源之前，是一個(gè)不相關(guān)的事件”,。同是作者之一的,、卡耐基自然歷史博物館哺乳動(dòng)物學(xué)研究館員約翰威布爾這樣解釋。
做為研究的一部分,，研究者利用形態(tài)庫記錄了包括40個(gè)化石種類的86種有胎盤類哺乳動(dòng)物的表型特征,。這個(gè)形態(tài)庫主要受到國家科學(xué)基金會(huì)的支持，紐約州立石溪大學(xué),、美國自然歷史博物館,、國家海洋和大氣管理局也給予了額外的支持。最終的數(shù)據(jù)庫包括的特征超過了4500個(gè),，不僅詳細(xì)記錄了包括翅膀,、牙齒和特定骨骼存在與否、體表毛發(fā)類型以及腦中的結(jié)構(gòu)等特征,，而且還包括了超過12000個(gè)的圖像,。所有這些信息都已經(jīng)在網(wǎng)上公開。這一數(shù)據(jù)庫比以往用于研究哺乳動(dòng)物系統(tǒng)關(guān)系的數(shù)據(jù)庫高出一個(gè)數(shù)量級(jí)（10倍）,。表型數(shù)據(jù)庫是建立在生物實(shí)體之上的,，比如化石，其數(shù)量是有限的,，并且需要時(shí)間去發(fā)掘,、修理和研究，因此,，用解剖學(xué)特征構(gòu)建演化樹通常不會(huì)超過幾百個(gè)特征。現(xiàn)在,，大規(guī)模地收集形態(tài)數(shù)據(jù)用于構(gòu)建系統(tǒng)樹被稱為“系統(tǒng)表型學(xué)”,。
石溪大學(xué)和博物館的博士后、同時(shí)也是作者之一的安德莉亞?西蘭內(nèi)樓說：“過去，用于處理分子生物學(xué)特征的數(shù)碼設(shè)施優(yōu)于處理表型數(shù)據(jù)的設(shè)施,，但是新的形態(tài)庫類技術(shù)讓研究表型的科學(xué)家能夠處理更大,、更復(fù)雜的項(xiàng)目，并且可以通過加注圖像,、文獻(xiàn)和評論來充實(shí)數(shù)據(jù)庫,。”
通過把特征標(biāo)圖到表型和基因數(shù)據(jù)最強(qiáng)支持的系統(tǒng)樹上，并且比較同一特征在有胎盤類哺乳動(dòng)物與它們的最近親緣類群中的異同,，這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)重建了有胎盤類哺乳動(dòng)物共同祖先的解剖學(xué)特征,。利用這種被稱為優(yōu)化分析的方法，研究者可以判斷什么特征在有胎盤類哺乳動(dòng)物的共同祖先中首先出現(xiàn),，什么特征是從遠(yuǎn)祖中繼承而來并保持不變的,。他們推斷有胎盤類哺乳動(dòng)物的共同祖先與人類一樣，具有雙角子宮,、具溝回的大腦皮層以及具有母體血液與胎兒膜緊密接觸的胎盤,。
另外，這項(xiàng)研究還揭示,，被稱為非洲獸類的有胎盤類哺乳動(dòng)物樹上的一個(gè)分支,，并不是起源在非洲，而是在美洲?，F(xiàn)今的非洲獸類包括了大象,、土豚等，是僅分布在非洲的動(dòng)物,。
曾在美國自然歷史博物館做博士后,、現(xiàn)在已經(jīng)是巴西米納斯吉拉斯聯(lián)邦大學(xué)教授、也是本文作者的費(fèi)爾南多佩里尼說：“這些動(dòng)物最初如何進(jìn)入非洲是一個(gè)非常重要的研究課題,，這也是形態(tài)庫和我們這項(xiàng)研究中構(gòu)建的系統(tǒng)表型樹所要探討的眾多問題之一,。”
另一個(gè)作者，多倫多斯卡伯勒大學(xué)的人類學(xué)助理教授瑪麗西爾考克斯補(bǔ)充說：“這個(gè)項(xiàng)目并不是詳盡無遺的,，但是它提供了一個(gè)模式,，可以用于其它表型系統(tǒng)和物種的研究”。(生物谷Bioon.com)
DOI: 10.1126/science.1229237
PMC:
PMID:
The Placental Mammal Ancestor and the Post–K-Pg Radiation of Placentals
Maureen A. O'Leary1,3,?, Jonathan I. Bloch2, John J. Flynn3, Timothy J. Gaudin4, Andres Giallombardo3, Norberto P. Giannini5,*, Suzann L. Goldberg3, Brian P. Kraatz3,6, Zhe-Xi Luo7,?, Jin Meng3, Xijun Ni3,?, Michael J. Novacek3, Fernando A. Perini3,||, Zachary S. Randall2, Guillermo W. Rougier8, Eric J. Sargis9, Mary T. Silcox10, Nancy B. Simmons5, Michelle Spaulding3,11, Paúl M. Velazco5, Marcelo Weksler3,§, John R. Wible11, Andrea L. Cirranello1,3
To discover interordinal relationships of living and fossil placental mammals and the time of origin of placentals relative to the Cretaceous-Paleogene (K-Pg) boundary, we scored 4541 phenomic characters de novo for 86 fossil and living species. Combining these data with molecular sequences, we obtained a phylogenetic tree that, when calibrated with fossils, shows that crown clade Placentalia and placental orders originated after the K-Pg boundary. Many nodes discovered using molecular data are upheld, but phenomic signals overturn molecular signals to show Sundatheria (Dermoptera + Scandentia) as the sister taxon of Primates, a close link between Proboscidea (elephants) and Sirenia (sea cows), and the monophyly of echolocating Chiroptera (bats). Our tree suggests that Placentalia first split into Xenarthra and Epitheria; extinct New World species are the oldest members of Afrotheria.
