Science：蛋殼的形狀是怎麼來的？

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解析作者｜唧唧堂醫學與自然科學研究小組summer；審校編輯｜Minyue，Runsong

本文是針對論文《鳥蛋的形狀：形成、功能與進化（Avian egg shape: Form, function, and evolution）》的一篇論文解析， 該論文於2017年6月發表於《Science》上。該研究作者包括MARY CASWELL STODDARD, EE HOU YONG, DERYA AKKAYNAK, CATHERINE SHEARD, JOSEPH A. TOBIAS, L. MAHADEVAN 。

具有殼和膜的羊膜卵的進化是脊椎動物離開海洋佔領陸空的關鍵。如今3.6億年過去，鳥蛋呈現出各種形狀——從正圓形的貓頭鷹蛋到水滴狀的鷸蛋。使人不禁發問，蛋形的多樣性如何形成，為什麼會形成？

這個問題的解答有助於解釋鳥類的進化，甚至可以揭秘自然歷史上一個古老的謎題。

由哈佛大學和普林斯頓大學領導，同時包含了英國、以色列、新加坡等多國研究者的一個國際研究團隊對此問題進行了量化研究。他們從數學、物理學和生物學中尋找方法與靈感，將1400種鳥蛋進行特徵描述，建立了卵膜決定蛋形的解釋模型。研究者通過進化論框架，發現蛋形和飛行能力有關，這意味著對飛行能力的適應是各樣蛋形形成的重要驅動力。

「我們通過三個問題確定了蛋形研究的統一理解標準：如何量化蛋形並確立跨物種形狀比較基礎；決定蛋形的生物物理學機制是什麼；蛋形有那些進化意義和生態學意義。」這項研究的資深作者，L. Mahadevan教授如是說，他是哈佛大學物理系有機與進化生物學教授，工程與應用數學系教授。「我們發現不同物種的蛋形都很光滑，這是由膜的性質決定的，而不是殼。我們驚訝地發現蛋的橢圓和不對稱性與它的飛行能力關係極大。」Mahadevan也是哈佛大學仿生工程繫懷斯研究所的核心成員。

研究者一開始繪製了50000個蛋的形狀，以確定它們的極對極的不對稱性和橢圓率，這些蛋代表了35個目14%的物種，其中兩個目已滅絕。

研究者發現蛋形具有連續性——通過跨物種的重疊作圖，可以發現蛋的形狀從正圓形過渡到圓錐狀。

所以，多樣化的蛋形譜系是如何形成的？

研究者一直都知道蛋膜在蛋形形成中發揮著重要作用——畢竟蛋殼在醋等弱酸中溶解後，蛋還能保持著原有的形態。問題在於膜的性質是如何影響蛋的形狀的。

想想一個氣球，Mahadevan說，如果一個氣球各處材料相同厚度一樣，吹起來的時候就是正圓的，如果不均勻就可能出現各種形狀。

Mahadevan表示：「觀察發現膜的厚度在蛋的兩級之間存在變化，我們構建了一個數學模型去模擬在壓力下有彈性的殼如何變大，從而得到自然狀態下可觀察到的蛋的全部範圍。」

蛋形的差異來源於不同地方膜的厚度和材料的性質，以及膜不同地方受壓力的大小。

另一個問題是，這些形式是如何和鳥的飛行能力相關聯的？

研究者探究了不同物種的蛋形和它們的巢的種類和位置、每次下蛋的數量、食性、飛行能力的關係。

「我們發現飛行能力可能會影響蛋的形狀。」本研究第一作者Mary Caswell Stoddard如是說。她是普林斯頓大學生態和進化生物學系副教授，前哈佛大學學會學者。「為了保持光滑流線型的身形，鳥類傾向於下更為不對稱更橢圓的蛋。這樣子的蛋可以在不增大寬度的情況下增大蛋的體積——這在輸卵管細的情況下是很大的優勢。」

信天翁和蜂鳥差別很大，但因為它們飛行能力都很強，所以它們進化出了類似的蛋形。

Credit: L. Mahadevan/Museum of Vertebrate Zoology

「我們的研究表明鳥蛋的大小和形狀並非是隨機的，而是和不同的生態背景相關，甚至包括它們飲食中的含鈣量，當然主要還是它們需要有多會飛。」帝國理工學院合作研究者Joseph Tobias博士說。

研究者接下來希望實時觀察下蛋全過程，比較不同種類並重新定義模型。

該研究的資金來源有普林斯頓大學，美國LOréal女性學術基金，哈佛大學學會，Milton基金會，南洋理工學院，牛津Clarendon基金，Fulbright委員會，自然環境研究委員會，MacArthur基金會和Radcliffe學院。

參考文獻：

Mary Caswell Stoddard, Ee Hou Yong, Derya Akkaynak, Catherine Sheard, Joseph A. Tobias, L. Mahadevan. Avian egg shape: Form, function, and evolution. Science, 2017 DOI: 10.1126/science.aaj1945

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