一个令人瞠目结舌的难题为什么哺乳动物的下颌僵硬

从滤食性蓝鲸 20 英尺长的颌骨，到鬣狗短而易碎的颌骨，再到人类精致的下颌骨，哺乳动物特有的一对下颌骨已经进化出惊人的变异。

但乍一看，头部两侧各有一根骨头(这会形成僵硬的下颌或下颌骨)，但哺乳动物似乎并没有比其他脊椎动物具有优势，其他脊椎动物至少有两块骨头，最多有 11 块骨头包括下颌的每一侧。

例如，鳄鱼的咬合强度相对于体型而言比鬣狗更具优势，尽管其下巴两侧各有大约五块骨头。蛇有一个铰接式下颌，大约有四块骨头，它们能够张开比须鲸更大的嘴，并且实际上使下颌脱臼以吞下比头大的猎物。即使是已经灭绝的鸭嘴龙，或者下颌有六块骨头的鸭嘴恐龙，也可以通过比今天的牛更复杂的口腔运动来咀嚼植物。

那么，两块下颌骨(人类和其他灵长类动物的下巴在下巴处融合成一个坚固的下颌骨)给哺乳动物带来了什么优势(如果有的话)?

这个问题促使加州大学伯克利分校综合生物学助理教授、古生物学家 Jack Tseng 建立了一个包含 1,000 多个颌骨脊椎动物的数据库(地球上大约 66,000 种现存有颌脊椎动物物种中的一小部分)，以系统地研究哺乳动物是否存在与鱼类、蜥蜴、蛇和其他非哺乳动物的多骨下颌相比，下颌是一个巨大的进步。他甚至打印了许多下颌的 3D 模型来测试它们的坚固性。

令人惊讶的是，答案似乎是否定的——每侧都有一个单独的下颌骨，与具有多个骨头的下颌骨相比，并没有太大的优势。

“我们是否应该将哺乳动物下巴的创新解释为一种纯粹的适应，使哺乳动物在恐龙灭绝后在各个方面都变得更加成功?我认为答案是否定的，”曾说。

事实上，下颌有多块骨头使动物在咬合方面具有优势：这些骨头可以一起工作以提供灵活性和速度。相反，哺乳动物每侧的单骨实际上限制了哺乳动物进化过程中可用的选择。矛盾的是，这种限制显然并没有阻止哺乳动物适应吃和咀嚼各种食物，这与下巴上有不止一根骨头的脊椎动物的饮食多样性相媲美。

“有这样一种想法，即在下巴中使用多块骨头可以实现额外的灵活性和额外的速度(这本质上会复合或扩大运动)与增加的刚度或增加的咬合强度(当你有一个骨头时)之间进行权衡。下巴，”曾说。“哺乳动物和非哺乳动物之间的这种二分法据说使哺乳动物本质上成为万物的食者。”

但曾表示，到目前为止，这一点还没有经过严格的测试。

“没有人试图将所有这些有颌脊椎动物群体的信息结合起来，以提出有关颌骨形状和功能如何相关的一般性问题，”他说。

最后，他得出结论：

“与非哺乳动物相比，哺乳动物颌骨的形状更加多样化，但其生物力学特征受到更多限制。与非哺乳动物颌骨相比，哺乳动物颌骨平均可以采取更多不同的形状，但这些不同形状的不同范围更窄。机械性能优于非哺乳动物，”曾说。“这是一项新的观察结果，可能会开辟研究哺乳动物颌骨生物力学的不同方式。”

“主要发现是，是的，确实，哺乳动物由于其下颌是单骨的，与任何非哺乳动物下颌相比，平均具有明显更高的强度或刚度，”他说。“总的来说，无论特定的哺乳动物在做什么，无论你是肉食动物还是食草动物，这都没有关系。僵硬不是捕食者特征或食草动物特征，它是哺乳动物的特征，是哺乳动物下巴的特征。 ”

Tseng 的研究上个月发表在《英国皇家学会哲学会刊 B》杂志上，作为哺乳动物头骨进化系列的一部分。

从下巴到耳朵

那么，为什么哺乳动物会失去下颌多余的骨头呢?好吧，他们没有。相反，脊椎动物下颌中多余的骨头聚集在下颌和上颌之间的铰链周围，进化成了哺乳动物的内耳，这可能使哺乳动物比它们的脊椎动物表亲有更好的听力。

“哺乳动物坚固、僵硬的下巴被认为是建立哺乳动物独特的听力系统的副作用，”曾说。

将这些颌骨放入耳朵中，使得哺乳动物每侧只有一根下颌骨，形成了坚硬的下颌，这为哺乳动物在硬度方面提供了一些优势——例如足以折断骨头——但限制了它们的后代只能在单块骨头上进行变异，即使吃软食物不需要僵硬的下颌。例如，食蚁兽进化出了向下弯曲的下巴，作为长舌头滑过的槽。

迄今为止，哺乳动物的这一重大进化转变——复杂的内耳，但简单的下巴——主要是因为它与耳朵相关而被研究。

曾研究过鬣狗等碎骨动物，他想从下巴的角度和工程学的角度来看待这个问题。为此，他对 1000 多种脊椎动物的二维颌骨形状进行了数字化，建立了脊椎动物颌骨的关键特征，然后模拟了不同颌骨形状(包括自然界中未见过的合理形状)的机械性能，以确定哺乳动物和在力量和功能方面，对所有可能的颌骨范围内的非哺乳动物进行了比较。他发现两组人都跨越了这个范围，因此似乎能够适应相似的力量和功能范围。然而，哺乳动物的下巴比非哺乳动物的下巴更集中在更坚硬的形状上。

Tseng 计划将他的数据库扩展到更多脊椎动物物种，并纳入颌骨的 3D 扫描，以便更好地评估刚度和强度的生物力学。

他还希望其他人能够研究遗传学在哺乳动物向复杂的耳朵结构和简单的下颌骨骼结构的转变中所扮演的角色，这种转变对哺乳动物进化的影响是什么，以及为什么进化似乎锁定了这种状态。哺乳动物的下颌特征。

“我们希望我们的发现能够促使一些人寻找遗传基础，以解释为什么这是一条单行道，”他说。“下一步是了解哺乳动物结构和功能的这种特征脱钩如何帮助它们在关键地质时期适应新环境，例如非鸟类恐龙的灭绝，以及连接大陆的陆桥的出现允许不同生态群落更好地混合。”

Tseng 的合著者包括加州大学伯克利分校的 Sergio Garcia-Lara 和 Emily Holmes、纽约美国自然历史博物馆的 John Flynn、德克萨斯大学奥斯汀分校的 Timothy Rowe 和北卡罗来纳州杜克大学的 Blake Dickson。