鳥喙演化大爆炸

最新研究表明：如今我們見到的鳥類各種各樣的喙，都是源自一場突然發(fā)生的演化大爆炸，鳥喙繼而在其后的六千五百萬年間緩慢演化。

圖片來源：THINKSTOCK

數(shù)千萬年前鳥類的演化造就了今天多種多樣的鳥喙，鳥類唱歌離不開它，覓食得依靠它，戰(zhàn)斗也少不了它：細(xì)長如麥芒，泥地里精準(zhǔn)地夾起蟲子，尖鉤把腐肉撕成碎塊，喉囊用來取水吞魚…放眼自然界，鳥類演化出五顏六色、形式各樣、用途萬千的喙。盡管科學(xué)家已經(jīng)在理論上解釋了鳥喙的多樣性是如何演化的，但一直都缺少相應(yīng)的工具和化石樣本來重構(gòu)演化歷史的圖景。

如今，由于公眾科學(xué)家的努力以及上千份數(shù)字化鳥喙數(shù)據(jù)，研究人員總算可以著手理順數(shù)百萬年的鳥喙演化史——并且取得十分喜人的結(jié)果。2017年2月1日發(fā)表在《自然》雜志的一篇論文中，由英國謝菲爾德大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的研究顯示：鳥喙有兩次彼此獨(dú)立的演化高峰，它們發(fā)生在距今六千五百萬年前。在那之后，鳥喙演化的速度放慢，就只是系統(tǒng)性地完善。

科學(xué)家很早就對鳥類演化多樣性的過程做出諸多推測。但在此之前，由于缺少化石記錄以及技術(shù)陳舊的原因，科學(xué)家一直無法驗(yàn)證這些假說。論文的作者簡·布萊特（Jen Bright）是英國謝菲爾德大學(xué)（the University of Sheffield）和美國南佛羅里達(dá)州大學(xué)（the University of South Florida）的古生物學(xué)家，她說鳥喙化石的記錄無比糟糕。像鳥類這樣的小型生物很少有化石，有化石的也不大可能是頭骨，在存量稀少的頭骨化石中，也基本沒有鳥喙。因?yàn)轼B喙的外殼是相對柔軟的角蛋白，本身就很難變成化石。

一只歐亞鴝（Erithacus rubecula）正在接受頭部及喙的掃描

圖片來源：LARA NOURI/ NATURAL HISTORY MUSEUM

由于上述困難，研究人員把目光轉(zhuǎn)向收藏于兩個英國自然歷史博物館的現(xiàn)生鳥類標(biāo)本，這兩個博物館分別是特林的自然歷史博物館和曼徹斯特博物館。兩年來，研究人員使用3D掃描技術(shù)把博物館的鳥類標(biāo)本的喙進(jìn)行數(shù)字化（如上圖）。尤其重要的是，數(shù)字掃描讓研究人員不僅可以研究鳥喙的長、寬、高等傳統(tǒng)的量度，還獲得了曲率等 3D特征。“這樣就可以彌補(bǔ)過去人們測量鳥喙傳統(tǒng)方法的局限性?！辈既R特說。

數(shù)字掃描的數(shù)據(jù)庫建立后，研究人員標(biāo)記出鳥喙的主要位置，或者說顯著特征。由此得以量化樣本間的相似部分和差異。借助電腦，科研人員標(biāo)記出鳥喙的尖端，定位鳥喙和臉部的交接位置，確定曲率以及其它顯著特征。沒過多久他們便發(fā)覺這是一個純粹的體力活。“我們粗略地算了下，發(fā)現(xiàn)靠我們自己根本做不完這個工作。”布萊特說。

多種多樣的鳥喙

圖片來源：GAVIN THOMAS

所以研究人員決定建立一個公眾科學(xué)網(wǎng)站以便向公眾尋求幫助?！皫臀覙?biāo)記鳥類”是一個使用外界幫助來標(biāo)記海量數(shù)據(jù)庫的項(xiàng)目。平均三個人標(biāo)記一個鳥喙，這樣就有足夠的人數(shù)來避免明顯錯誤。布萊特說最杰出的貢獻(xiàn)來自一群超級熱心的用戶，其中就有一個熱心人標(biāo)記了1400多個種的鳥喙。之后研究人員把標(biāo)記好的鳥喙放到鳥類的系統(tǒng)發(fā)生樹上來分析它們形成時間以及演化方式。

研究人員發(fā)現(xiàn)許多現(xiàn)有鳥喙曾經(jīng)的演化過程好似煙花。就這樣突然的爆炸，由少數(shù)幾種鳥類演化出許多種鳥來，布萊特形容它們“像煙花一樣突然炸開，然后在尾部散開”從而形成系統(tǒng)發(fā)生樹的枝杈（如上圖）。這一時期有些“創(chuàng)新性的性狀”開始了密集的演化，造就了物種多樣性。鳥類許多新的科也在此時形成，隨之而來的還有新的鳥喙類型。

克里斯·庫尼（Chris Cooney）是謝菲爾德大學(xué)的演化生物學(xué)家，他說“這一過程和當(dāng)年的達(dá)爾文雀很類似，但涉及到的不僅僅只是數(shù)十種鳥類，而是數(shù)千種?！?/p>

研究人員回溯鳥喙在系統(tǒng)發(fā)生的時間，發(fā)現(xiàn)演化爆發(fā)很可能發(fā)生在距今6500萬~8000萬年前（如上圖）。巴特·安·布拉（Bhart-Anjan Bhullar）是耶魯皮博迪自然歷史博物館（the Yale Peabody Museum of Natural History）的古生物和發(fā)育生物學(xué)家，但并沒有參與該項(xiàng)研究。他說如果發(fā)生在距今6500萬年前，那么它和白堊紀(jì)晚期大滅絕事件（Late Cretaceous mass extinction event）的時間吻合。這次事件使得地球上四分之三的動植物滅絕，其中包括恐龍。Bhullar接著解釋說，大規(guī)模的生物滅絕使得幸存的生物可以“自由”地參與到適者生存的演化游戲中，鳥類從此可以開拓曾經(jīng)被其它物種占據(jù)的食物來源和棲息地。如此劇烈的變化會加速鳥喙演化。

鳥喙形狀的主成分分析（PCA）散點(diǎn)圖，坐標(biāo)軸代表對應(yīng)的主成分（PC1-8），分別代表不同彎曲度的鳥喙，內(nèi)側(cè)為喙部俯視圖、外側(cè)為喙部側(cè)視圖。每一個坐標(biāo)代表解釋的變異比例和系統(tǒng)發(fā)育信號（Pagel’s λ）的估計，不同顏色的點(diǎn)表示物種的數(shù)量，紅色數(shù)量較高，紫色數(shù)量較低。

意識到上述理論的可能性，研究人員仍然對于他們的推測持審慎的態(tài)度。因?yàn)椴既R特承認(rèn)科學(xué)家并不能肯定恐龍和原始鳥類曾經(jīng)競爭過同樣的資源。

最初的大規(guī)模爆發(fā)式演化事件發(fā)生后，鳥喙演化的速率和形式都有所變化。庫尼說，鳥喙的表型開始了“改進(jìn)和精細(xì)”地演化。換句話說，在這一時期，鳥喙的改變是細(xì)微的。研究人員認(rèn)為不同的鳥類類群在自然環(huán)境中找到了自己的角色后，演化的速率就慢了下來。有觀點(diǎn)認(rèn)為，演化隨時間發(fā)生的速率很慢，但隨環(huán)境壓力的升高變化得較快，鳥喙演化的規(guī)律與該觀點(diǎn)相符。

研究結(jié)果令人振奮，但團(tuán)隊(duì)并未就此滿足。公眾科學(xué)家們可以繼續(xù)在該網(wǎng)站上標(biāo)記鳥喙，目前上傳的8000多種鳥喙也只標(biāo)記了一半（該研究分析了超過2000 種鳥喙）。如果仔細(xì)研究數(shù)據(jù)，還有很多問題值得深入挖掘。庫尼說研究方向包括特定類群的鳥類如何演化其鳥喙，比如鸚鵡或鵜鶘；或者特定地區(qū)的鳥喙如何演化，比如大陸和海島。誰知道這個項(xiàng)目能為鳥類演化帶來什么更多的新成果——也許這項(xiàng)研究能對達(dá)爾文雀喙的演化帶來新的洞見，畢竟鳥喙演化激發(fā)了達(dá)爾文最初去探索物種的起源。

參考文獻(xiàn)略

文章來源：推鳥

編輯：Pierre