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解開龜甲的進化起源

從19世紀到現在為止,許多對烏龜背甲有興趣的動物學家間一直爭論不休,背甲究竟是如何演化變成現在特殊的形態。為了解開此謎題,以日本理化學研究所為主的共同研究團隊,進行烏龜類胚胎發生過程的組織學上的觀察,以及三疊紀的化石樣本調查
 
 
 
烏龜是長壽的代表物種,有存活超過一百多年的紀錄。牠們的頭部與四肢可縮進「龜甲」內,因此龜甲是用來保護身體、抵抗外敵的特殊構造。龜甲是由背側的「背甲」與腹側的「腹甲」所構成,而背甲是由肋骨與背骨兩者癒合而成,因此烏龜活著的時候,龜甲無法與身體分離。

包括鱷魚、某些種類的恐龍及犰狳等脊椎動物,背部具有骨骼般盔甲。這些位於肌肉的外側的骨骼般盔甲,稱作「皮骨」(dermal bone)組織。皮骨的發育過程與肋骨及四肢骨骼不同,皮骨在骨骼形成前,先發育成「軟骨」的構造;在烏龜類胚胎,不僅先形成軟骨構造來進行骨骼形成,接著擴展成板狀構造,擴張的板狀構造於其肋骨間的空隙迅速地充滿物質,最後形成一體的背甲。

從19世紀到現在為止,許多對烏龜背甲有興趣的動物學家間一直爭論不休,背甲究竟是如何演化變成現在特殊的形態。關於烏龜的背甲進化起源主要有兩種假說,假說1:認為烏龜的祖先物種與目前物種,其外側具有的皮骨性盔甲,是由體幹骨骼加上皮骨成分共同發育而成。假說2:認為烏龜的背甲僅是肋骨或背骨的變形結構,未含皮骨成分。

為了解開此謎題,以日本理化學研究所為主的共同研究團隊,進行烏龜類胚胎發生過程的組織學上的觀察,以及三疊紀的化石樣本調查。研究團隊使用烏龜類的胚胎,製作組織切片進行背甲發育過程的詳細觀察,並比較雞的肋骨、鱷魚的皮骨性盔甲的發生過程。結果發現烏龜類胚胎於肋骨形成後,其包覆肋骨的骨膜擴張,於骨膜內側形成背甲。再者,鱷魚的皮骨性盔甲是在真皮層所形成,但是烏龜的盔甲並非在真皮層所形成,而是發育自較深層的結締組織。從以上實驗結果發現:烏龜的背甲不含皮骨成份,而是由肋骨擴張結構所形成。

另外,調查化石標本方面,找到與烏龜類分類系統上相近的三疊紀海生爬蟲類,發現其背甲非由皮骨性盔甲所組成,而是由其下層的肋骨擴張所形成。此結果也支持烏龜類的背甲未含皮骨成分。

由於烏龜在演化過程中,失去了肋骨周圍的肌肉。因此,為何烏龜的肋骨僅在背側擴張,卻未形成覆蓋肋骨的肌肉,將是今後解開此進化過程的新課題。

此研究成果2013年7月9日刊載於英國知名科學期刊《Nature Communications》線上版。(本文由國科會補助新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿)

責任編輯:陳俊宏|國立臺灣大學生命科學系
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