大象的牙齿它们如何进化以应对气候变化驱动的饮食变化

在野外看到大象是一种永恒的、令人敬畏的体验。如今仅存三种物种：非洲草原象、非洲森林象和亚洲象。它们是曾经繁荣的大型食草动物长鼻动物谱系的残余，其进化史诗跨越了6000万年，涉及约200个物种。非洲大陆是这个故事的中心舞台。

但是，到目前为止，尚不清楚自然选择如何有利于现代大象作为长鼻动物中唯一幸存的微小分支。

古生物学家JuhaSaarinen和AdrianLister的一项新研究提供了答案。李斯特指导了我的博士学位，重点研究化石大象的进化关系。萨里宁目前在赫尔辛基大学担任我的博士后职位，我们正在根据这些发现进行研究。

他们关注的是大象高度特化的多板颊齿的出现，这些齿是从早期长鼻动物的原始牙列中出现的。他们的结论表明，针对不断变化的环境进行的行为调整可以在数千万年的时间里对动物的适应结构产生持续的变革趋势。

出牙问题

现代大象的饮食由大量坚韧、纤维质且通常是低质量的饲料组成。它们能够以这种方式进食是因为它们的牙齿：每个下巴有六颗巨大的磨牙，在动物的一生中，它们在水平“队列”中依次萌出和消耗，每颗牙齿都逐渐大于前一颗牙齿。成人的臼齿有砖头那么大。

当下颌移动时，沿着牙齿纵向排列的牙釉质脊会像奶酪刨丝器一样剪切植被。这些牙齿还具有很高的牙冠，随着旧的咀嚼表面的磨损，牙冠会不断地突出到位，就像自动铅笔中的铅芯向上推一样。这有助于大象应对因咀嚼而造成的持续牙齿磨损。

化石记录显示，2000万年前，长鼻动物的牙齿看起来完全不同。这些牙齿具有成对排列的圆形牙尖，可用于咀嚼它们所居住的原始森林和灌木丛中的各种植物性食物。但它们不适合处理大量坚韧、磨蚀性的植被。

科学家推测，有两个主要因素推动了当今大象耐磨牙齿特征的进化。其中之一是草丛的蔓延，与祖先长鼻动物所居住的舒适的森林房屋相比，草丛可以承受更凉爽、更干燥和更具季节性的气候。第二个是大型食草动物在这些新的干旱环境中比以前摄入了更多的粘性灰尘。

这两个挑战都是在过去2000万年内出现的。但目前尚不清楚这两个因素究竟如何驱动食草动物牙齿的适应性变化。该理论还提出了一个先有鸡还是先有蛋的悖论：进化的牙齿和改变的栖息地哪个先起飞?

证据

沙里宁设计了一种简单的定量方法来解决这个难题。它建立在基本的机械原理之上。食草动物的进食方式会将牙齿磨平，而食草动物的牙齿则具有更“锋利”的咀嚼表面。这意味着吃草的大象牙齿上的磨损角度应该比吃草的大象更宽。

为了验证这个想法，沙里宁首先测量了肯尼亚东察沃国家公园最近的大象牙齿，这证实了他最初的假设。然后，他和李斯特转向非洲丰富的地质和化石记录。

他们对化石牙齿磨损的测量表明，大约2100万年前，非洲原始的“嵌齿象”型长鼻动物首次增加了对草的饮食摄取。嵌齿象是现代大象及其其他已灭绝近亲的广义祖先。

他们还发现，从发现嵌齿象牙齿所在地的植物化石碎片可以看出，2100万至600万年前，随着草覆盖范围扩大，这些嵌齿象的食草量增加了。然而，这是在牙齿结构几乎没有进化的情况下实现的。

这是非洲长鼻类物种多样性的繁荣时期。含有三到四种长鼻动物的栖息地很常见。一些物种采取放牧方式，以尽量减少与邻近的厚皮动物的竞争，这些厚皮动物喜欢较软的饲料。

最终幸存者

为了仔细研究先前理论化的气候、植被变化和大象进化之间的联系，沙里宁和李斯特研究了过去几十年在非洲西海岸和东海岸钻探的沉积岩芯的记录。这些核心本质上是档案，记录了非洲大陆数千万年的环境变化。干旱时期的标志是核心部分灰尘较多。

对数据的统计测试表明，700万至500万年前，非洲环境开始变得更加干旱，这推动了产生猛犸象和现代大象的谱系中牙齿进化速度的大幅提高，并促进草原的进一步扩展。

由此证明，大象的高冠、多板臼齿的进化主要是为了承受食物中的沙砾，而不是纤维。这种新的牙齿形态提供了这样的优势，以至于大约360万年前，早期大象在与最后的非洲嵌齿象的竞争中惨遭灭绝。

新的研究途径

这种进化棘轮的顶峰是古齿兽。它是进化出的最大的大象，站立时肩高超过4米，重12至15吨。古齿象拥有砖块大小的臼齿，包含多达21个格栅板，无论从体型还是摄食适应性来看，古齿象都是150万年前至约13万年前非洲大草原上无可争议的顶级巨型草食动物。

然而，在我们故事的最后一百万年里，当非洲大草原变得越来越干旱和季节性时，就像过去五百万年一样，这些壮观的放牧专家消失了。为什么?

在讨论他的发现后，沙里宁和我得出了一个假设。现代非洲象的体型只有其史前表亲的一半，牙齿不太适合以草为主的饮食。这可能是大象能够忍受当今非洲干旱灌木丛的关键，因为这些灌木丛几乎没有草覆盖，无法养活像古齿象这样巨大的依赖草的素食动物。

作为当前研究的一部分，我们正在对此进行研究，希望能够弄清楚灌木干旱地区对草原的侵蚀是否导致了过去数百万年来非洲古齿象和其他壮观的巨型食草动物的灭绝。我们最终讲述的故事可能会成为一个严厉的警告：如果不加以控制，气候变化将如何进一步破坏非洲的生物多样性。

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