大象是體型最大的陸生哺乳動物，最引人注目的特征之一就是擁有柔軟靈活的象鼻。有科學(xué)家在哺乳動物大百科全書中表示，象鼻是脊椎動物中最靈敏的器官，具有至少4萬條肌肉和極度發(fā)達(dá)的神經(jīng)系統(tǒng)。但其實大象在史前早-中中新世時期的祖先們不僅有矚目的長鼻子，還有形態(tài)各異且很長的下頜和下門齒。這一時期的象類如何利用其形態(tài)各異的下頜和下門齒進(jìn)行取食？象鼻在取食的過程中又起到了什么作用？而到了最晚中新世和上新世，象類一直伸長的下頜卻都出人意料且不約而同地縮短了，這一傳奇演化過程又有哪些內(nèi)在機(jī)制？這些關(guān)于早期象類下頜和長鼻的演化和生物適應(yīng)性等重要問題，至今未有合理的解釋。

　　在最新的研究中，中國科學(xué)院大學(xué)和中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所的研究人員對長鼻類下頜的多樣性和演化歷程，以及其與象鼻的共同演變進(jìn)行了深入研究，揭示了早期象類的取食方式和有關(guān)器官的獨(dú)特演變過程。相關(guān)成果與審稿人的評價于2023年11月28日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《生命科學(xué)》上。

　　千萬年前的象

　　下頜和鼻子協(xié)同“干飯”

　　研究表明，早在1700萬—1500萬年的中中新世氣候適宜期，早期象類中的明星物種，具有鏟子狀下頜的鏟齒象已發(fā)展出用鼻子卷住植物并配合下頜切斷植物的進(jìn)食方式，這是象鼻最早實現(xiàn)卷握功能的證據(jù)。

　　本次研究對鏟齒象、嵌齒象和豕棱齒象這三類主要的長頜乳齒象進(jìn)行功能形態(tài)對比研究，發(fā)現(xiàn)它們的下頜形態(tài)各不相同：鏟齒象具有像鏟子一樣寬扁的下門齒，上門齒較短并向下彎曲，沒有釉質(zhì)帶；嵌齒象的下門齒呈棍狀，上門齒較長，同樣向下彎曲，且具有釉質(zhì)帶；豕棱齒象沒有下門齒，但是下頜聯(lián)合部伸長，并成槽狀，上門齒粗壯，朝外上方彎曲，沒有釉質(zhì)帶。

　　除此之外，這三類早期象的鼻區(qū)特征也不同。相對嵌齒象和豕棱齒象，鏟齒象的鼻骨最小，鼻孔周圍的結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，甚至在演化程度上超過了現(xiàn)生大象。這些鼻部相關(guān)的骨骼特征都說明鏟齒象具有非常發(fā)達(dá)的鼻子，因為鼻骨越小象鼻越發(fā)達(dá)。

　　為什么象祖先的主要“餐具”

　　由下頜、下門齒變成了鼻子？

　　為了深入揭示鏟齒象、嵌齒象和豕棱齒象的食性和取食方式，研究團(tuán)隊采用了多種研究手段，其中牙釉質(zhì)碳氧穩(wěn)定同位素分析和有限元力學(xué)分析成為重建這些早期象類取食行為的關(guān)鍵手段：牙釉質(zhì)碳氧穩(wěn)定同位素提供了三種象類不同食性偏好的證據(jù)；有限元力學(xué)分析則成為恢復(fù)取食方式的關(guān)鍵手段。

　　研究結(jié)果表明鏟齒象、豕棱齒象和嵌齒象具有不同的采食方式和生活環(huán)境：鏟齒象生活在較開闊的環(huán)境之中，其下頜只適于切割豎直生長的植物，鏟齒象是利用靈活的鼻子卷握住植物，再用下頜進(jìn)行水平切割，這種采食方式具有非常高的效率；豕棱齒象生活在比較封閉的環(huán)境之中，適于切割水平或傾斜生長的枝條，它用鼻子輔助壓住枝條，然后配合下頜完成采食；嵌齒象的生境介于兩者之間或者與兩者重合，它的采食方式是多樣化的，在林地和草地都能較好地適應(yīng)。

　　對于早期象類，伸長的下頜和下門齒是主要的取食器官，而象鼻僅僅作為輔助工具，不同下頜形態(tài)的早期象類具有不同的生態(tài)適應(yīng)性。隨著生態(tài)環(huán)境逐漸變得干冷，鏟齒象更能適應(yīng)相對開闊的生態(tài)環(huán)境，以草本植物為食，最終促進(jìn)了象鼻抓握功能和靈活性的發(fā)展。

　　鏟齒象向開闊生境的擴(kuò)張由于晚中新世初的托爾托納極熱事件引起的包括鏟齒象在內(nèi)的滅絕事件而終止，但嵌齒象類接替鏟齒象類，持續(xù)擴(kuò)散到晚中新世的開闊生境之中，在象鼻持續(xù)向更高的靈活性和更強(qiáng)的抓握功能演化過程中，象類的取食功能完全轉(zhuǎn)移到長鼻，最終導(dǎo)致了原來的采食器官——下頜和下門齒的縮短。

　　因此，開闊環(huán)境中采食行為的適應(yīng)性，正是象鼻抓握功能演化的“催化劑”。該項研究對于我們認(rèn)識大象這一重要類群所擁有的象鼻和下頜演化與生態(tài)背景提供了重要的證據(jù)，并為理解長鼻類如何適應(yīng)環(huán)境，環(huán)境變化如何塑造獨(dú)特器官的演變提供了新見解。

　　該研究融合多種前沿方法

　　獲得科學(xué)期刊高度評價

　　《生命科學(xué)》雜志編輯對該論文有很高的評價：“該研究融合多種前沿方法，在生態(tài)形態(tài)學(xué)、行為生態(tài)學(xué)和共同進(jìn)化生物學(xué)等多個方面提供了十分令人信服的結(jié)果”；同行評議的審稿人也對該項工作給予了高度贊揚(yáng)：“該項研究證據(jù)充足、插圖精美、補(bǔ)充文件數(shù)據(jù)充分且詳細(xì)、三維模型和動畫視頻詳細(xì)易懂，這對理解長鼻類的多樣性和取食器官的協(xié)同演化具有重要意義，也為進(jìn)一步探索生命科學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)提供了堅實基礎(chǔ)。”

　　中國科學(xué)院大學(xué)博士后李春曉為論文第一作者，中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所研究員王世騏、鄧濤，以及華中科技大學(xué)的張驥教授為論文的共同通訊作者，該項目得到了國家自然科學(xué)基金面上項目和第二次青藏高原科學(xué)考察項目的支持。 華西都市報-封面新聞記者 譚羽清 圖片由中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所提供