http://www.leica-microsystems.com/science-lab/characterizing-the-evolution-of-plant-eating-herbivorous-mammals-using-dental-tribology/

牙齒摩擦學(xué)在食草哺乳動物進(jìn)化表征方面的應(yīng)用

 Gildas Merceron, PhD ¹  Cécile Blondel, PhD ¹  James DeRose, PhD ²

 ¹ 法國普瓦捷，CNRS和普瓦捷大學(xué)，古靈長目學(xué)，古生物學(xué)：進(jìn)化和古環(huán)境（iPHEP）

²徠卡顯微系統(tǒng)

2016年4月7日

食草哺乳動物的生態(tài)環(huán)境一般通過飲食行為進(jìn)行探索。牙齒微磨痕紋理分析（DMTA）是一種用于獲取一系列牙齒數(shù)據(jù)以供飲食習(xí)慣重建所需的方法。研究動物化石的科學(xué)家（古生物學(xué)家）經(jīng)常試圖找出潛在的進(jìn)化機(jī)制。這種化石數(shù)據(jù)經(jīng)常用于生態(tài)和環(huán)境模型的重建。

通過對綿羊進(jìn)行受控食物測試，在微觀尺度上詳細(xì)研究若干參數(shù)（食物成分、食物機(jī)械性能和飲食成分的變化）對牙齒磨損的影響。執(zhí)行以下步驟，創(chuàng)建一個合理的飲食重建模型：

1. 從家養(yǎng)綿羊的受控食物試驗中收集牙齒微磨痕紋理數(shù)據(jù)，用于初始模型的創(chuàng)建；
2. 在當(dāng)前的野生食草哺乳動物群落中驗證并進(jìn)一步創(chuàng)建模型，本文以波蘭Białowieża原始森林的反芻動物（偶蹄目哺乳動物，比如家牛、野牛和鹿）為例；
3. 將驗證的模型應(yīng)用于保存完好的羚羊化石標(biāo)本（這些羚羊800萬年前生活在希臘北部）。

前言

動物進(jìn)食時與其棲息地相互作用。為了重建動物生態(tài)，跟蹤其飲食至關(guān)重要�；�石記錄中極少有保存完好的動物軟組織。通常牙齒是動物消化系統(tǒng)唯一保存完好的器官之一，因此是重建化石動物生態(tài)的重要數(shù)據(jù)來源。某些牙齒特征可以粗略提示動物吃了什么。這些特征包括切牙大小、犬齒形狀、牙釉質(zhì)厚度、臼齒與前臼齒長度比以及臼齒高冠牙（牙釉質(zhì)延伸范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過牙齦線的高冠齒）指數(shù)。但這些方法并未反映動物確實吃了什么，而是它可以吃什么。

其他古生物學(xué)研究方法（與齒形無關(guān)）可用于滅絕物種飲食偏好和環(huán)境的非物種依賴性重建。其中一種方法是牙齒微磨痕紋理分析（DMTA）[1]。通過實證研究可知，牙釉質(zhì)的微磨痕紋理取決于動物飲食中的食物種類（圖1）。

然而，牙齒微磨痕紋理與食物機(jī)械性能之間的關(guān)系目前仍知之甚少。我們不清楚牙齒微磨痕紋理反映的是整體飲食還是少量“求其次”的食物（當(dāng)偏好食物再也無法獲取時），即堅韌的根、硬質(zhì)種子、堅韌粗糙的草本。而且，由于飲食變化引起牙齒微磨痕紋理更新的相關(guān)信息，我們也很少了解。如果希望更準(zhǔn)確地解釋化石數(shù)據(jù)隨機(jī)抽樣和有偏抽樣，必須更好地闡明這些關(guān)鍵點。

ANR（法國研究機(jī)構(gòu)）資助的TRIDENT項目旨在采用三重研究法探索上述所有重要的點：i）從家養(yǎng)綿羊受控食物試驗中采集數(shù)據(jù)并創(chuàng)建初始模型；ii）以現(xiàn)存野生食草哺乳動物群落的牙齒微磨痕紋理數(shù)據(jù)驗證并進(jìn)一步創(chuàng)建模型；iii）使用已驗證的模型分析羚羊化石。這種方法可以確定牙齒微磨痕紋理分析和食物特性之間的關(guān)系。應(yīng)用于現(xiàn)存野生哺乳動物種群將證明假設(shè)是否成立。這兩個步驟一旦完成，與化石物種飲食習(xí)慣相關(guān)的微磨痕數(shù)據(jù)的解釋將更加令人信服。而且不僅僅是從哺乳動物的飲食習(xí)慣中發(fā)現(xiàn)生態(tài)學(xué)的新信息，這些結(jié)果對探索過去的環(huán)境條件也是必不可少的。在空曠棲息地找到食物的食草羚羊（啃食接近地面的草及低矮植物）與在森林棲息地找到食物的食植羚羊（啃食較高植物的葉子、樹皮和嫩莖），可能有著截然不同的牙齒微磨痕紋理類型。

古生物學(xué)家和生態(tài)學(xué)家的最終目的是解釋進(jìn)化機(jī)制，并創(chuàng)建模型重建某個區(qū)域特定時間段的生態(tài)環(huán)境。這些生態(tài)學(xué)模型可以為氣候變化研究提供有用的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)收集和分析

首先用丙酮清洗牙齒，除去現(xiàn)存物種樣本上的灰塵。有時候在野外或?qū)嶒炇抑苽浠�石時使用膠水固定樣本，同樣用丙酮予以清洗。清洗之后，使用牙科硅膠成型材料（聚乙烯基硅氧烷，Coltène Whaledent, President Regular Body）塑制牙面。我們不是使用上述模具和透明樹脂澆筑模型，而是直接用Leica DCM8共聚焦顯微鏡和光學(xué)表面輪廓儀掃描模具，獲得磨損面的三維形貌逆（負(fù)）模型。表面輪廓儀配備一個100倍物鏡（數(shù)值孔徑 = 0.90，工作距離 = 0.9mm），每份樣本均掃描一個面積為331μm×251μm的區(qū)域（圖2）。

圖2：從羚羊（�？瓶招慕欠雌c動物，比如牛、羚羊、綿羊、山羊等）化石到三維虛擬表面。借助LeicaMap軟件，可將化石樣本上各種羚羊（啃食低矮植物者、啃食較高植物幼嫩部分者及混合飲食者）的天然牙齒紋理與較異常者區(qū)分開來。全部形貌表面面積均為333×251μm²。

采用Leica Map軟件處理形貌表面的原始數(shù)據(jù)，以去除異常峰、使表面平坦并產(chǎn)生二維模擬圖片。在各種紋理參數(shù)中，已知區(qū)域-尺度復(fù)雜度分形（簡單表示為“復(fù)雜度”）和長度-尺度各向異性分形（簡單表示為“各向異性”）是區(qū)分?jǐn)z食習(xí)性不同的有蹄類物種的最佳參數(shù)（圖3）[1, 2]。

圖3：各向異性和復(fù)雜度是區(qū)分進(jìn)食偏好不同的有蹄類物種最有效的參數(shù)。食草類動物非洲大羚羊（Alcelaphus buselaphus）、食葉類動物長頸鹿（Giraffa camelopardalis）和駱駝（Camelus dromedarius）、混合飲食類動物野驢（Equus africanus asinus）以及棲息于中非森林中以果實為食物的黃背小羚羊（Cephalophus silvicultor）的樣本各向異性與復(fù)雜度。

受控食物試驗

盡管早期研究為牙齒微磨痕紋理分析領(lǐng)域作出了貢獻(xiàn)，但它們未能明確每種食物對不同紋理類型的影響程度。這些問題只有通過開展受控食物測試才能得到解決。到目前為止僅僅進(jìn)行了一項采用DMTA的研究，該研究涉及32只兔子的受控食物測試研究所監(jiān)督。分析對象僅限于被淘汰的母羊，即不再適合飼養(yǎng)和當(dāng)作肉羊出售的綿羊。任何實驗都不需要操縱綿羊。綿羊有充足而且熟悉的食物。綿羊棲身處蓋有頂棚，至少喂養(yǎng)70天。綿羊的食物不是它們經(jīng)常吃的干草，而是無塵刨花。用塑料薄膜覆蓋飼槽，而且每天清理干凈以避免污染。

對獲自3種Białowieża鹿科動物（即鹿、北美馴鹿、麋鹿和駝鹿，特征為具有鹿角）樣本的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明它們以較高植物的幼嫩部位為食。以葉/果為食者（駝鹿和狍）和混合飲食者（馬鹿）的牙齒微磨痕紋理未見有顯著差異。歐洲野牛的研究結(jié)果很明確：它的飲食并非像最初認(rèn)為的那樣以草為主。歐洲野牛是混合飲食者，其食團(tuán)（動物消化道內(nèi)已咀嚼食物的軟質(zhì)團(tuán)塊）中包括草和較高的植物。此外，通過三維牙齒微磨痕紋理分析，追蹤到歐洲野�？梢愿鶕�(jù)四季變化調(diào)節(jié)其攝食行為[4]。

探索過去的生態(tài)和環(huán)境

對于化石，需要解決的問題之一是被研究動物的覓食生態(tài)學(xué)（圖6）：它吃了什么？它在生態(tài)系統(tǒng)中的作用是什么？由于無法直接觀察，必須使用替代物才能重建滅絕物種的生態(tài)環(huán)境。在這種背景下，現(xiàn)存物種的研究主要作為化石物種飲食重建的基線。比如，800萬年前生活在希臘北部Nikiti-2的羚羊古群落，以食草動物或混合飲食動物居多。在羚羊類中，Nisidorcas屬顯然以食草為主，瞪羚屬（Gazella）屬于混合飲食者，中新羚（Miotragocerus）的飲食最靠近食譜的較高植物幼嫩部分（圖6）[5]。

圖6：以基于現(xiàn)存羚羊物種（按照攝食習(xí)性分組）的模型解釋化石物種數(shù)據(jù)所獲得的結(jié)果：食草者、以較高植物幼嫩部分為食者和混合飲食者（橢圓包含每個類別的80%動物）。滅絕物種為Miotragocerus（M）、Nisidorcas（N）和Gazella（G）。顯示了平均值（圓圈）和95%置信區(qū)間（水平線和豎立線）。

過去的有蹄類動物的研究往往以古環(huán)境重建為目標(biāo)[6, 7]，因為飲食、食物可利用性和棲息地之間存在很好的（雖然不完美）對應(yīng)關(guān)系[8]。Nikiti-2缺少啃食較高植物幼嫩部分的動物，其最可能的環(huán)境應(yīng)該是草本層發(fā)達(dá)的無樹平原[5]。評估某個給定遺址的古環(huán)境之后，古生物學(xué)家將同樣的方法應(yīng)用于較古老或較年輕的化石遺址，以追蹤地質(zhì)時間尺度上環(huán)境條件的可能變化。

總結(jié)和結(jié)論

通過研究化石或保存遺跡中發(fā)現(xiàn)的動物牙齒結(jié)構(gòu)（這是一種“古飲食”研究方法），可以重建這些動物棲息地的生態(tài)環(huán)境。

牙齒微磨痕紋理分析（DMTA）技術(shù)可以確定過去的環(huán)境中滅絕物種的飲食偏好。微觀水平的牙齒磨損（微磨痕）取決于動物飲食中食物的物理特性。使用3D牙齒微磨痕紋理分析（3D-DMTA）方法，從綿陽受控食物測試中獲得一套牙齒數(shù)據(jù)。以該數(shù)據(jù)集創(chuàng)建飲食重建模型。

古生物學(xué)家和生態(tài)學(xué)家熱衷于更好地了解物種進(jìn)化，以及創(chuàng)建模型重建某個區(qū)域特定時間段的生態(tài)環(huán)境。這些生態(tài)學(xué)模型還有助于提高對氣候變化的認(rèn)識。

參考文獻(xiàn)

1. Calandra I, and Merceron G: Dental Microwear Texture Analysis in Mammal Ecology. Mammal Rev. – in press (2016).
2. Scott JR: Dental microwear texture analysis of extant African Bovidae. Mammalia 76: 157–74 (2012).
3. Schulz E, Piotrowski V, Clauss M, Mau M, Merceron G, and Kaiser TM: Dietary abrasiveness determines variability in microwear and dental surface texture in rabbits. PLoS One 8: e56167 (2013).
4. Merceron G, Hofman-Kamińska E, and Kowalczyk R: 3D dental microwear texture analysis of feeding habits of sympatric ruminants in the Białowieża Primeval Forest, Poland. For. Ecol. Manag. 328: 262–69 (2014).
5. Merceron G, Novello A, and Scott RS: Palaeontology of the Upper Miocene Mammal Localities of Nikiti (Chalkidiki Peninsula, Macedonia, Greece) – Paleoenvironments inferred from Phytoliths and Dental Microwear Texture Analyses of meso-herbivores. Geobios – in press (2016).
6. Merceron G, Kaiser TM, Kostopoulos DS, and Schulz E: Ruminant diet and the Miocene extinction of European great apes. Proc. R. Soc. B 277: 3105–12 (2010).
7. Ungar PS, Merceron G, and Scott RS: Dental microwear texture analysis of Varswater bovids and Early Pliocene paleoenvironments of Langebaanweg, Western Cape Province, South Africa. J. Mamm. Evol. 14: 163–81 (2007).
8. Mac Naughton SJ, and Georgiadis NJ: Ecology of African grazing and browsing animals. Annu. Rev. Ecology Syst. 17: 39–65 (1986).