科普園地│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生的演化大爆炸，鳥喙繼而在其後的六千五百萬年間緩慢演化。

圖片來源：THINKSTOCK

數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，戰鬥也少不了它：細長如麥芒，泥地里精準地夾起蟲子，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。儘管科學家已經在理論上解釋了鳥喙的多樣性是如何演化的，但一直都缺少相應的工具和化石樣本來重構演化歷史的圖景。

如今，由於公眾科學家的努力以及上千份數字化鳥喙數據，研究人員總算可以著手理順數百萬年的鳥喙演化史——並且取得十分喜人的結果。2017年2月1日發表在《自然》雜誌的一篇論文中，由英國謝菲爾德大學研究團隊主導的研究顯示：鳥喙有兩次彼此獨立的演化高峰，它們發生在距今六千五百萬年前。在那之後，鳥喙演化的速度放慢，就只是系統性地完善。

科學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，由於缺少化石記錄以及技術陳舊的原因，科學家一直無法驗證這些假說。論文的作者簡·布萊特（Jen Bright）是英國謝菲爾德大學（the University of Sheffield）和美國南佛羅里達州大學（the University of South Florida）的古生物學家，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。因為鳥喙的外殼是相對柔軟的角蛋白，本身就很難變成化石。

一隻歐亞鴝（Erithacus rubecula）正在接受頭部及喙的掃描

圖片來源：LARA NOURI/ NATURAL HISTORY MUSEUM

由於上述困難，研究人員把目光轉向收藏於兩個英國自然歷史博物館的現生鳥類標本，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掃描技術把博物館的鳥類標本的喙進行數字化（如上圖）。尤其重要的是，數字掃描讓研究人員不僅可以研究鳥喙的長、寬、高等傳統的量度，還獲得了曲率等 3D特徵。「這樣就可以彌補過去人們測量鳥喙傳統方法的局限性。」布萊特說。

數字掃描的資料庫建立後，研究人員標記出鳥喙的主要位置，或者說顯著特徵。由此得以量化樣本間的相似部分和差異。藉助電腦，科研人員標記出鳥喙的尖端，定位鳥喙和臉部的交接位置，確定曲率以及其它顯著特徵。沒過多久他們便發覺這是一個純粹的體力活。「我們粗略地算了下，發現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網站以便向公眾尋求幫助。「幫我標記鳥類」是一個使用外界幫助來標記海量資料庫的項目。平均三個人標記一個鳥喙，這樣就有足夠的人數來避免明顯錯誤。布萊特說最傑出的貢獻來自一群超級熱心的用戶，其中就有一個熱心人標記了1400多個種的鳥喙。之後研究人員把標記好的鳥喙放到鳥類的系統發生樹上來分析它們形成時間以及演化方式。

（網站地址：https://www.markmybird.org）

研究人員發現許多現有鳥喙曾經的演化過程好似煙花。就這樣突然的爆炸，由少數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，然後在尾部散開」從而形成系統發生樹的枝杈（如上圖）。這一時期有些「創新性的性狀」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）是謝菲爾德大學的演化生物學家，他說「這一過程和當年的達爾文雀很類似，但涉及到的不僅僅只是數十種鳥類，而是數千種。」

研究人員回溯鳥喙在系統發生的時間，發現演化爆發很可能發生在距今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）的古生物和發育生物學家，但並沒有參與該項研究。他說如果發生在距今6500萬年前，那麼它和白堊紀晚期大滅絕事件（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，大規模的生物滅絕使得倖存的生物可以「自由」地參與到適者生存的演化遊戲中，鳥類從此可以開拓曾經被其它物種佔據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）散點圖，坐標軸代表對應的主成分（PC1-8），分別代表不同彎曲度的鳥喙，內側為喙部俯視圖、外側為喙部側視圖。每一個坐標代表解釋的變異比例和系統發育信號（Pagel』s λ）的估計，不同顏色的點表示物種的數量，紅色數量較高，紫色數量較低。

意識到上述理論的可能性，研究人員仍然對於他們的推測持審慎的態度。因為布萊特承認科學家並不能肯定恐龍和原始鳥類曾經競爭過同樣的資源。

最初的大規模爆髮式演化事件發生後，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「改進和精細」地演化。換句話說，在這一時期，鳥喙的改變是細微的。研究人員認為不同的鳥類類群在自然環境中找到了自己的角色後，演化的速率就慢了下來。有觀點認為，演化隨時間發生的速率很慢，但隨環境壓力的升高變化得較快，鳥喙演化的規律與該觀點相符。

研究結果令人振奮，但團隊並未就此滿足。公眾科學家們可以繼續在該網站上標記鳥喙，目前上傳的8000多種鳥喙也只標記了一半（該研究分析了超過2000 種鳥喙）。如果仔細研究數據，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；或者特定地區的鳥喙如何演化，比如大陸和海島。誰知道這個項目能為鳥類演化帶來什麼更多的新成果——也許這項研究能對達爾文雀喙的演化帶來新的洞見，畢竟鳥喙演化激發了達爾文最初去探索物種的起源。

來源

推鳥

翻譯

Wildcat Crazybirdy