毒蛇用毒牙注入鸡尾酒毒素,这是一种特殊的牙齿,有凹槽或沟槽贯穿其中,将毒液引导到咬伤处。在动物中独一无二的是,蛇的沟槽状和管状牙齿已经进化了很多次。
发表在《英国皇家学会学报B》上的新研究表明,这可能是通过对牙齿结构的修改来实现的,这可能有助于将蛇的牙齿固定在窝中。在某些物种中,这些结构进化成贯穿牙齿长度的凹槽,作为输送毒液的便捷管道。
在近4000种蛇中,大约600种被认为“具有医学意义”,这意味着它们咬了一口就需要住院治疗,但更多的蛇有小毒牙,毒性只有轻微程度。温和毒液的出现被认为早于蛇的毒牙出现。
毒液的毒牙有三种主要的位置:固定在嘴的后部,就像吃螃蟹的水蛇、猫眼蛇、小树枝蛇和非洲羚羊一样;在嘴前部固定的,如眼镜蛇、珊瑚蛇、金环蛇、大班蛇和海蛇;或者长在嘴的前部,能够向后或侧向折叠,如蝮蛇、蝰蛇、响尾蛇和细尾蛇。
尖牙反复进化的历史
通过观察蛇的进化树,我们可以假设所有有毒牙的蛇最近的共同祖先可能是没有毒牙的。这似乎比另一种可能性更大:毒牙是一次性获得的,然后在几十个不同的蛇系中分别失去。
那么蛇是如何从它们祖先简单的锥形牙齿反复进化出注射器状牙齿的呢?
为了解决这个问题,学者们仔细研究了蛇的牙齿以及它们是如何发育的。他们检查了19种蛇,包括有毒的和无毒的,还有一种早期化石。他们使用了传统的方法,如在显微镜下研究载玻片,以及尖端的微CT扫描和生物力学建模。
蛇牙的秘密:牙齿的褶皱
我们发现,几乎所有的蛇,无论是否有毒,都有紧密地合拢在底部的牙齿,并且在横截面上看起来有皱纹(下图红色部分的皱纹)。
这些褶皱或皱纹发生在牙本质层,被称为“plicidentine”,意思是“褶皱”。褶皱层在许多已经灭绝的动物和少数现存的鱼类和蜥蜴物种中都发现过。这些褶皱的功能尚不清楚,但有一种理论认为,它们使牙齿在咬人时不那么容易折断或弯曲。
然而,当研究者用电脑模拟数字牙齿模型来测试这个想法时,发现事实并非如此。
蛇在一生中不断更换牙齿,就像鲨鱼一样,它们的牙齿没有很深的牙窝。因此,研究者可以认为,通过提供更大的附着区域,可以改善新牙对浅窝的初始附着。
不管折叠的蛇牙的原始功能是什么,真正有趣的是,在毒蛇中,有一种褶皱比其他的要大得多,并延伸到牙齿上,形成一个凹槽:毒液槽。
这些长长的、单一的凹槽偶尔也会在其他物种的牙齿上发现,比如有毒的毒蜥,它所有的牙齿上都有扁平的褶皱和相关的凹槽。重要的是,毒蜥的沟槽状牙齿可以长在远离毒腺的嘴里,这意味着两者之间没有联系。我们还发现,一些毒蛇的牙齿上偶尔也有凹槽,而不是毒牙;这种牙齿与毒液腺体没有连接。
所以,齿槽遍布口腔,甚至远离毒液腺和它们的管道,我们发现了齿槽和毒液沟之间的明显联系。这让我们假设,毒蛇的原始状态可能是牙齿上随机出现沟槽,这仅仅是增大的皱襞的结果,与毒腺无关。
研究还发现了毒蛇的凹槽尖牙和毒液腺是如何共同进化成为一种高效的毒液输送结构的。
在今天的有毒物种的祖先中,毒液腺(或它们的前体,被称为Duvernoy 's gland的改良唾液腺)的存在,是将凹槽牙齿细化为增大的毒液毒牙的重要前提。
研究者认为,当一颗槽状牙齿出现在毒液腺排出口附近时,自然选择可能有利于它的大小和效率的增加,因为那颗牙齿在注入毒液方面更有效。
这种精细的进化过程最终会产生今天在眼镜蛇和蝰蛇身上看到的巨大的、注射器状的毒牙,凹槽的边缘会合在一起,形成一个针状的管状结构。
这一发现表明,一个简单的祖先特征,如牙齿基部的皱纹可能与牙齿附着有关,可以被修改和重新用于一个全新的功能(毒液注射槽)。这可以帮助解释为什么在所有动物中,蛇独特地如此多次地进化出了的毒牙。
毒牙的横截面刨图
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