牙齒摩擦學在食草哺乳動物進化表征方面的應用
牙齒摩擦學在食草哺乳動物進化表征方面的應用
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，古靈長目學，古生物學：進化和古環境（iPHEP）
2016年4月7日
食草哺乳動物的生態環境一般通過飲食行為進行探索。牙齒微磨痕紋理分析（DMTA）是一種用于獲取一系列牙齒數據以供飲食習慣重建所需的方法。研究動物化石的科學家（古生物學家）經常試圖找出潛在的進化機制。這種化石數據經常用于生態和環境模型的重建。
通過對綿羊進行受控食物測試，在微觀尺度上詳細研究若干參數（食物成分、食物機械性能和飲食成分的變化）對牙齒磨損的影響。執行以下步驟，創建一個合理的飲食重建模型：
- 從家養綿羊的受控食物試驗中收集牙齒微磨痕紋理數據，用于初始模型的創建；
- 在當前的野生食草哺乳動物群落中驗證并進一步創建模型，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；
- 將驗證的模型應用于保存完好的羚羊化石標本（這些羚羊800萬年前生活在希臘北部）。
前言
動物進食時與其棲息地相互作用。為了重建動物生態，跟蹤其飲食至關重要�；涗浿袠O少有保存完好的動物軟組織。通常牙齒是動物消化系統唯一保存完好的器官之一，因此是重建化石動物生態的重要數據來源。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、牙釉質厚度、臼齒與前臼齒長度比以及臼齒高冠牙（牙釉質延伸范圍遠遠超過牙齦線的高冠齒）指數。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。
其他古生物學研究方法（與齒形無關）可用于滅絕物種飲食偏好和環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，牙釉質的微磨痕紋理取決于動物飲食中的食物種類（圖1）。
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圖1：下頜和牙齒形態反映動物的食物范圍，而牙釉質的微磨痕紋理反映動物真正攝食的東西。 |
然而，牙齒微磨痕紋理與食物機械性能之間的關系目前仍知之甚少。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（當偏好食物再也無法獲取時），即堅韌的根、硬質種子、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信息，我們也很少了解。如果希望更準確地解釋化石數據隨機抽樣和有偏抽樣，必須更好地闡明這些關鍵點。
ANR（法國研究機構）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）從家養綿羊受控食物試驗中采集數據并創建初始模型；ii）以現存野生食草哺乳動物群落的牙齒微磨痕紋理數據驗證并進一步創建模型；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系。應用于現存野生哺乳動物種群將證明假設是否成立。這兩個步驟一旦完成，與化石物種飲食習慣相關的微磨痕數據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慣中發現生態學的新信息，這些結果對探索過去的環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。
古生物學家和生態學家的最終目的是解釋進化機制，并創建模型重建某個區域特定時間段的生態環境。這些生態學模型可以為氣候變化研究提供有用的數據。
數據收集和分析
首先用丙酮清洗牙齒，除去現存物種樣本上的灰塵。有時候在野外或實驗室制備化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表面輪廓儀掃描模具，獲得磨損面的三維形貌逆（負）模型。表面輪廓儀配備一個100倍物鏡（數值孔徑 = 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據，以去除異常峰、使表面平坦并產生二維模擬圖片。在各種紋理參數中，已知區域-尺度復雜度分形（簡單表示為“復雜度”）和長度-尺度各向異性分形（簡單表示為“各向異性”）是區分攝食習性不同的有蹄類物種的最佳參數（圖3）[1, 2]。
圖3：各向異性和復雜度是區分進食偏好不同的有蹄類物種最有效的參數。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域作出了貢獻，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督。分析對象僅限于被淘汰的母羊，即不再適合飼養和當作肉羊出售的綿羊。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70天。綿羊的食物不是它們經常吃的干草，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。
設置多個食物組，對應于不同的有蹄類動物飲食：
- 單純苜蓿青貯飼料（通過在青貯窖中發酵保存的飼料），用于模擬進食柔軟的葉子；
- 混有栗子、大麥或玉米的苜蓿青貯飼料，即大小和硬度不同的顆粒，用于模擬進食不同的果實；
- 黑麥草青貯飼料，用于模擬進食低矮植物；
- 青貯飼料比例不一樣的幾個組，用于評價不同類型混合飲食的影響。
這個獨特的雙數據集（飲食成分和牙齒微磨痕紋理）構成了原始數據，用于確定飲食特性（韌度、二氧化硅含量、硬度）與牙齒微磨痕紋理之間的關系（圖4）。通過分析該數據集，探討了牙齒微磨痕紋理更新速度、紋理參數、樣本大小、抽樣方法以及給定掃描大小或牙面/牙齒的表現形式。
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圖4：通過使用綿羊受控食物試驗的數據，并結合其臼齒（包括臼齒和前臼齒）微磨痕紋理分析，創建了相關模型。從化石物種或現存野生物種樣本采集的數據，可以使用該模型予以解釋，以確定它們的攝食習性。 |
以現存有蹄類哺乳動物驗證模型
有必要使用現存野生哺乳動物群落，對采用DMTA和受控食物試驗數據創建的模型進行測試以確定其有效性。在TRIDENT開展過程中，已經探討若干例子。這里展示Białowieża個案研究（即反芻動物群落，包括歐洲野牛）的結果。波蘭東部的Białowieża森林是一個獨特的生態系統（圖5）。這是歐洲唯一一個可以在野生環境下研究馬鹿、狍、駝鹿和野牛的地方。此外，其內部森林是人跡罕至的原始混交林。駝鹿以葉子為食，狍以葉子/水果為食，馬鹿為混合飲食類動物，歐洲野牛則可能主要以草為食。上個世紀從森林采集了大量骨頭樣本，包括2,000個頭骨和頜骨。
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圖5：Białowieża原始森林的野生反芻動物，這里是歐洲此類動物資源最豐富的地方。這些鹿科動物和歐洲野牛的牙齒微磨痕紋理數據有助于追蹤重要食物資源重疊之處。 |
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）樣本的數據進行分析，結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。歐洲野牛的研究結果很明確：它的飲食并非像最初認為的那樣以草為主。歐洲野牛是混合飲食者，其食團（動物消化道內已咀嚼食物的軟質團塊）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�？梢愿鶕募咀兓{節其攝食行為[4]。
探索過去的生態和環境
對于化石，需要解決的問題之一是被研究動物的覓食生態學（圖6）：它吃了什么？它在生態系統中的作用是什么？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環境。在這種背景下，現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：以基于現存羚羊物種（按照攝食習性分組）的模型解釋化石物種數據所獲得的結果：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%置信區間（水平線和豎立線）。
過去的有蹄類動物的研究往往以古環境重建為目標[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）對應關系[8]。Nikiti-2缺少啃食較高植物幼嫩部分的動物，其最可能的環境應該是草本層發達的無樹平原[5]。評估某個給定遺址的古環境之后，古生物學家將同樣的方法應用于較古老或較年輕的化石遺址，以追蹤地質時間尺度上環境條件的可能變化。
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圖7：古生物學家從沉積物中了解到不同地質時期若干哺乳動物群落的遷移，這些時期記錄了古環境和古氣候的變化。由于羚羊屬于食草動物，牙齒微磨痕紋理不僅僅反映攝食習性，還反映所消耗的植物資源。因此，環境背景及其隨時間發生的變化（這些物種在其中經歷了數百萬年進化史）也得到闡明。 |
總結和結論
通過研究化石或保存遺跡中發現的動物牙齒結構（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環境。
牙齒微磨痕紋理分析（DMTA）技術可以確定過去的環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據。以該數據集創建飲食重建模型。
古生物學家和生態學家熱衷于更好地了解物種進化，以及創建模型重建某個區域特定時間段的生態環境。這些生態學模型還有助于提高對氣候變化的認識。
參考文獻
- Calandra I, and Merceron G: Dental Microwear Texture Analysis in Mammal Ecology. Mammal Rev. – in press (2016).
- Scott JR: Dental microwear texture analysis of extant African Bovidae. Mammalia 76: 157–74 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Mac Naughton SJ, and Georgiadis NJ: Ecology of African grazing and browsing animals. Annu. Rev. Ecology Syst. 17: 39–65 (1986).
