对骨骼和动物胚胎的新研究让研究人员发现了哺乳动物是如何进化出突出而灵活的鼻子的。这项研究有助于揭示哺乳动物强烈嗅觉的起源,并为鸡或青蛙等新的动物模型创造了潜力,这些模型通常用于实验室实验,以研究腭裂等面部发育障碍。
对面部进化的传统科学理解是,哺乳动物和爬行动物的下颌发育方式几乎相同。尽管哺乳动物有一个独特的鼻子,但这个结构的进化过程仍然未知。
“现有的四足动物化石,无论是爬行动物还是哺乳动物的祖先,都有相同数量的上颚骨。很容易认为骨骼是相同的,但现在我们可以研究胚胎和跟踪细胞发育来更详细地研究这些骨骼,”东京大学医学研究生院研究进化发展的博士后研究员Hiroki Higashiyama解释说。这项研究最近发表在美国国家科学院院刊他是第一个通过比较多个物种的多个胚胎的细胞研究来研究面部结构进化的人。
在栗原博树教授的实验室里,Higashiyama和他的同事们设计了一些实验来追踪不同物种胚胎的面部发育,包括鸟类(鸡)、爬行动物(壁虎)和哺乳动物(老鼠)。他们专注于胚胎中一组被称为面部突出的细胞,这些细胞产生了面部的物理结构。研究人员对细胞进行染色,以跟踪它们的移动和生长。一组被称为额鼻突的细胞形成了爬行动物的颚尖,但在哺乳动物中却变成了突出的鼻子。哺乳动物的颚尖是由一组叫做上颌突的细胞形成的。
利用细胞实验的这个新视角,研究人员随后检查了化石标本。
随着物种祖先积累了更多的生理和遗传差异,爬行动物上颚顶端的骨头,即前颌骨,变得更小并向上移动,而它后面的骨头,即中隔颌骨,变得更大并向前移动,成为哺乳动物的下颌尖端。研究人员说,像澳大利亚鸭嘴兽和针鼹这样的卵生哺乳动物的面部骨骼,为从进化上较古老的爬行动物模型到最近进化的哺乳动物结构的过渡骨骼结构提供了额外的活的例子。
这种鼻子和下巴的分离赋予了哺乳动物独特的“嗅”能力,它们利用肌肉张开鼻孔,从环境中深深吸入气味。
Higashiyama说:“这一发现是人类和其他哺乳动物运动鼻子进化过程中的一个关键创新,这有助于哺乳动物高度敏感的嗅觉。”
区分和识别如此多的气味也可能帮助哺乳动物发育出比早期祖先更大、更复杂的大脑。
最近的研究提供了前上颌骨和中隔上颌骨排列的进化转变的物理证据,但需要单独的研究来确定遗传原因。
“现在我们知道了多个物种的面部突出和胚胎发育的组成,所以我们可以将鸡或青蛙的面部发育障碍与人类进行比较。目前我们主要只是改进了教科书知识,但在未来,这些动物模型将成为我们研究的实际应用。”
小鼠是目前研究唇腭裂的唯一动物模型。老鼠的饲养成本高,发育速度慢,因此额外的面部发育障碍动物模型可能成为一种有价值的研究工具。
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