牙齿摩擦学在食草哺乳动物进化表征方面的应用

牙齿摩擦学在食草哺乳动物进化表征方面的应用
Gildas Merceron, PhD 1 Cécile Blondel, PhD 1 James DeRose, PhD 2
1法国普瓦捷，CNRS和普瓦捷大学，古灵长目学，古生物学：进化和古环境（iPHEP）
2徕卡显微系统
2016年4月7日
食草哺乳动物的生态环境一般通过饮食行为
进行探索。

牙齿微磨痕纹理分析（DMTA）是一
种用于获取一系列牙齿数据以供饮食习惯重建所
需的方法。

研究动物化石的科学家（古生物学家）
经常试图找出潜在的进化机制。

这种化石数据经
常用于生态和环境模型的重建。

通过对绵羊进行受控食物测试，在微观尺度上详
细研究若干参数（食物成分、食物机械性能和饮
食成分的变化）对牙齿磨损的影响。

执行以下步
骤，创建一个合理的饮食重建模型：
1. 从家养绵羊的受控食物试验中收集牙齿微磨痕纹理数据，用于初始模型的创建；
2. 在当前的野生食草哺乳动物群落中验证并进一步创建模型，本文以波兰Białowieża原始森林的反刍动物（偶蹄
目哺乳动物，比如家牛、野牛和鹿）为例；
3. 将验证的模型应用于保存完好的羚羊化石标本（这些羚羊800万年前生活在希腊北部）。

前言
动物进食时与其栖息地相互作用。

为了重建动物生态，跟踪其饮食至关重要。

化石记录中极少有保存完好的动物软组织。

通常牙齿是动物消化系统唯一保存完好的器官之一，因此是重建化石动物生态的重要数据来源。

某些牙齿特征可以粗略提示动物吃了什么。

这些特征包括切牙大小、犬齿形状、牙釉质厚度、臼齿与前臼齿长度比以及臼齿高冠牙（牙釉质延伸范围远远超过牙龈线的高冠齿）指数。

但这些方法并未反映动物确实吃了什么，而是它可以吃什么。

其他古生物学研究方法（与齿形无关）可用于灭绝物种饮食偏好和环境的非物种依赖性重建。

其中一种方法是牙齿微磨痕纹理分析（DMTA）[1]。

通过实证研究可知，牙釉质的微磨痕纹理取决于动物饮食中的食物种类（图1）。

图1：下颌和牙齿形态反映动物的食物范围，而牙釉质的微磨痕纹理反映动物真正摄食的东西。

然而，牙齿微磨痕纹理与食物机械性能之间的关系目前仍知之甚少。

我们不清楚牙齿微磨痕纹理反映的是整体饮食还是少量“求其次”的食物（当偏好食物再也无法获取时），即坚韧的根、硬质种子、坚韧粗糙的草本。

而且，由于饮食变化引起牙齿微磨痕纹理更新的相关信息，我们也很少了解。

如果希望更准确地解释化石数据随机抽样和有偏抽样，必须更好地阐明这些关键点。

ANR（法国研究机构）资助的TRIDENT项目旨在采用三重研究法探索上述所有重要的点：i）从家
养绵羊受控食物试验中采集数据并创建初始模型；ii）以现存野生食草哺乳动物群落的牙齿微磨痕纹
理数据验证并进一步创建模型；iii）使用已验证的模型分析羚羊化石。

这种方法可以确定牙齿微磨痕纹理分析和食物特性之间的关系。

应用于现存野生哺乳动物种群将证明假设是否成立。

这两个步骤一旦完成，与化石物种饮食习惯相关的微磨痕数据的解释将更加令人信服。

而且不仅仅是从哺乳动物的饮食习惯中发现生态学的新信息，这些结果对探索过去的环境条件也是必不可少的。

在空旷栖息地找到食物的食草羚羊（啃食接近地面的草及低矮植物）与在森林栖息地找到食物的食植羚羊（啃食较高植物的叶子、树皮和嫩茎），可能有着截然不同的牙齿微磨痕纹理类型。

古生物学家和生态学家的最终目的是解释进化机制，并创建模型重建某个区域特定时间段的生态环境。

这些生态学模型可以为气候变化研究提供有用的数据。

数据收集和分析
首先用丙酮清洗牙齿，除去现存物种样本上的灰尘。

有时候在野外或实验室制备化石时使用胶水固定样本，同样用丙酮予以清洗。

清洗之后，使用牙科硅胶成型材料（聚乙烯基硅氧烷，Coltène Whaledent, President Regular Body）塑制牙面。

我们不是使用上述模具和透明树脂浇筑模型，而是直接用Leica DCM8共聚焦显微镜和光学表面轮廓仪扫描模具，获得磨损面的三维形貌逆（负）模型。

表面轮廓仪
配备一个100倍物镜（数值孔径= 0.90，工作距离= 0.9mm），每份样本均扫描一个面积为
331μm×251μm的区域（图2）。

图2：从羚羊（牛科空心角反刍动物，比如牛、羚羊、绵羊、山羊等）化石到三维虚拟表面。

借助LeicaMap软件，可将化石样本上各种羚羊（啃食低矮植物者、啃食较高植物幼嫩部分者及混合饮食者）的天然牙齿纹理与较异常者区分开来。

全部形貌表面面积均为333×251μm2。

采用Leica Map软件处理形貌表面的原始数据，以去除异常峰、使表面平坦并产生二维模拟图片。

在各种纹理参数中，已知区域-尺度复杂度分形（简单表示为“复杂度”）和长度-尺度各向异性分形（简单表示为“各向异性”）是区分摄食习性不同的有蹄类物种的最佳参数（图3）[1, 2]。

图3：各向异性和复杂度是区分进食偏好不同的有蹄类物种最有效的参数。

食草类动物非洲大羚羊（Alcelaphus buselaphus）、食叶类动物长颈鹿（Giraffa camelopardalis）和骆驼（Camelus dromedarius）、混合饮食类动物野驴（Equus africanus asinus）以及栖息于中非森林中以果实为食物的黄背小羚羊（Cephalophus silvicultor）的样本各向异性与复杂度。

受控食物试验
尽管早期研究为牙齿微磨痕纹理分析领域作出了贡献，但它们未能明确每种食物对不同纹理类型的影响程度。

这些问题只有通过开展受控食物测试才能得到解决。

到目前为止仅仅进行了一项采用DMTA 的研究，该研究涉及32只兔子的受控食物测试[3]。

TRIDENT项目将几十只家养绵羊分为不同的饮食类型，开展了一项受控食物研究。

该研究在一家实验农场中进行，由绵羊研究与生产区域信息中心（CIIRPO）和l'Elevage研究所监督。

分析对象仅限于被淘汰的母羊，即不再适合饲养和当作肉羊出售的绵羊。

任何实验都不需要操纵绵羊。

绵羊有充足而且熟悉的食物。

绵羊栖身处盖有顶棚，至少喂养70天。

绵羊的食物不是它们经常吃的干草，而是无尘刨花。

用塑料薄膜覆盖饲槽，而且每天清理干净以避免污染。

设置多个食物组，对应于不同的有蹄类动物饮食：
1. 单纯苜蓿青贮饲料（通过在青贮窖中发酵保存的饲料），用于模拟进食柔软的叶子；
2. 混有栗子、大麦或玉米的苜蓿青贮饲料，即大小和硬度不同的颗粒，用于模拟进食不同的果实；
3. 黑麦草青贮饲料，用于模拟进食低矮植物；
4. 青贮饲料比例不一样的几个组，用于评价不同类型混合饮食的影响。

这个独特的双数据集（饮食成分和牙齿微磨痕纹理）构成了原始数据，用于确定饮食特性（韧度、二氧化硅含量、硬度）与牙齿微磨痕纹理之间的关系（图4）。

通过分析该数据集，探讨了牙齿微磨痕纹理更新速度、纹理参数、样本大小、抽样方法以及给定扫描大小或牙面/牙齿的表现形式。

图4：通过使用绵羊受控食物试验的数据，并结合其臼齿（包括臼齿和前臼齿）微磨痕纹理分析，创建了相关模型。

从化石物种或现存野生物种样本采集的数据，可以使用该模型予以解释，以确定它们的摄食习性。

以现存有蹄类哺乳动物验证模型
有必要使用现存野生哺乳动物群落，对采用DMTA和受控食物试验数据创建的模型进行测试以确定其有效性。

在TRIDENT开展过程中，已经探讨若干例子。

这里展示Białowieża个案研究（即反刍动物群落，包括欧洲野牛）的结果。

波兰东部的Białowieża森林是一个独特的生态系统（图5）。

这是欧洲唯一一个可以在野生环境下研究马鹿、狍、驼鹿和野牛的地方。

此外，其内部森林是人迹罕至的原始混交林。

驼鹿以叶子为食，狍以叶子/水果为食，马鹿为混合饮食类动物，欧洲野牛则可能主要以草为食。

上个世纪从森林采集了大量骨头样本，包括2,000个头骨和颌骨。

图5：Białowieża原始森林的野生反刍动物，这里是欧洲此类动物资源最丰富的地方。

这些鹿科动物和欧洲野牛的牙齿微磨痕纹理数据有助于追踪重要食物资源重叠之处。

对获自3种Białowieża鹿科动物（即鹿、北美驯鹿、麋鹿和驼鹿，特征为具有鹿角）样本的数据进行分析，结果表明它们以较高植物的幼嫩部位为食。

以叶/果为食者（驼鹿和狍）和混合饮食者（马鹿）的牙齿微磨痕纹理未见有显著差异。

欧洲野牛的研究结果很明确：它的饮食并非像最初认为的那样以草为主。

欧洲野牛是混合饮食者，其食团（动物消化道内已咀嚼食物的软质团块）中包括草和较高的植物。

此外，通过三维牙齿微磨痕纹理分析，追踪到欧洲野牛可以根据四季变化调节其摄食行为[4]。

探索过去的生态和环境
对于化石，需要解决的问题之一是被研究动物的觅食生态学（图6）：它吃了什么？它在生态系统中的作用是什么？由于无法直接观察，必须使用替代物才能重建灭绝物种的生态环境。

在这种背景下，现存物种的研究主要作为化石物种饮食重建的基线。

比如，800万年前生活在希腊北部Nikiti-2的羚羊古群落，以食草动物或混合饮食动物居多。

在羚羊类中，Nisidorcas属显然以食草为主，瞪羚属（Gazella）属于混合饮食者，中新羚（Miotragocerus）的饮食最靠近食谱的较高植物幼嫩部分（图6）[5]。

图6：以基于现存羚羊物种（按照摄食习性分组）的模型解释化石物种数据所获得的结果：食草者、以较高植物幼嫩部分为食者和混合饮食者（椭圆包含每个类别的80%动物）。

灭绝物种为Miotragocerus（M）、Nisidorcas（N）和Gazella（G）。

显示了平均值（圆圈）和95%置信区间（水平线和竖立线）。

过去的有蹄类动物的研究往往以古环境重建为目标[6, 7]，因为饮食、食物可利用性和栖息地之间存在很好的（虽然不完美）对应关系[8]。

Nikiti-2缺少啃食较高植物幼嫩部分的动物，其最可能的环境应该是草本层发达的无树平原[5]。

评估某个给定遗址的古环境之后，古生物学家将同样的方法应用于较古老或较年轻的化石遗址，以追踪地质时间尺度上环境条件的可能变化。

图7：古生物学家从沉积物中了解到不同地质时期若干哺乳动物群落的迁移，这些时期记录了古环境和古气候的变化。

由于羚羊属于食草动物，牙齿微磨痕纹理不仅仅反映摄食习性，还反映所消耗的植物资源。

因此，环境背景及其随时间发生的变化（这些物种在其中经历了数百万年进化史）也得到阐明。

总结和结论
通过研究化石或保存遗迹中发现的动物牙齿结构（这是一种“古饮食”研究方法），可以重建这些动物栖息地的生态环境。

牙齿微磨痕纹理分析（DMTA）技术可以确定过去的环境中灭绝物种的饮食偏好。

微观水平的牙齿磨损（微磨痕）取决于动物饮食中食物的物理特性。

使用3D牙齿微磨痕纹理分析（3D-DMTA）方法，从绵阳受控食物测试中获得一套牙齿数据。

以该数据集创建饮食重建模型。

古生物学家和生态学家热衷于更好地了解物种进化，以及创建模型重建某个区域特定时间段的生态环境。

这些生态学模型还有助于提高对气候变化的认识。