解码鸟类独特头骨结构与恐龙血脉相传的秘密

作者 | 发布日期 2017 年 10 月 01 日 14:36 | 分类 生物科技 , 自然科学
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恐龙迷可能已被今年发生的“恐龙分类大革命”震撼,今年 3 月刊登于《Nature》期刊的一篇文章,大大颠覆了恐龙的分类,重写了恐龙的演化树,其中包括最熟为人知的暴龙(Tyrannosaurus rex),所属的兽脚亚目(Theropoda)已从蜥臀目(Saurischia)移至鸟腿目(Ornithoscelida),鸟类的起源也归入这个新建立的类别,又更拉近了鸟类与暴龙之间的亲缘关系。



鸟类与恐龙演化关联的研究近年来不断推陈出新,2014 年十大科学突破之一,就是建立了鸟类从恐龙演化而来的证据;Arkhat Abzhanov 博士及研究团队在 2015 年也提出了鸟类头骨和脑在外观上与白垩纪晚期恐龙十分相似的论点,针对这点他们不断地搜集资料并进行分析比对,最近这篇发布于《Nature Ecology and Evolution》的文章总结了他们近年来努力的成果,并对鸟类独特的演化以幸免于物种大灭绝存活至今,提供了一些线索。

(Source:SCIENCE.org

鸟类是有羽毛恐龙(feathered dinosaurs)中,唯一存活至今的品种,正因如此,围绕着鸟类演化的研究相当蓬勃发展。Abzhanov 博士及团队指出,鸟类有独特的骨骼结构,特别是喙及头骨,包括较宽大的半圆顶型前颅骨,相对能容下较大的脑及眼睛,Abzhanov 博士认为这是一种称为幼态保留(paedomorphism)的演化现象。当成年个体还保留胚胎或婴儿时期特征的现象,称为幼态保留现象,鸟类这样特殊的头部结构又称做“娃娃脸”(baby face),就像人类婴幼儿时期,头部会占全身较大比例。幼态保留现象是由于器官发展的时间点改变所造成。也就是说,身体某些部分到后期才开始发育、发育较慢或甚至永远不会发育。

幼态保留现象在一些新品种进化扮演重要角色,包括相较于其他外观较成熟、具亲缘的物种,幼态保留能让物种在早期适应不同的生活方式,避免竞争相同资源。为了更深入了解鸟类独特头骨结构,以及与原始爬虫类演化而来的关联,Abzhanov 博士及团队开始分析鸟类及鸟类的爬虫类近亲的脑及头骨之间的关联,研究这两个结构在胚胎发展时期是如何互相关联。

脊椎动物的头骨是由一系列脑部特定区域相关的大型骨骼形成。举例来说,前额骨覆盖了前脑,而顶骨覆盖了中央部位的脑。早期胚胎时期脑部的发育,头骨很接近脑部的形状,新的研究指出,大多数脊椎动物,额骨及顶骨间的交界与前脑及中脑的交界相当吻合。

然而,在恐龙、鳄类及其他爬虫类发育的晚期,头骨与脑部的发育不再接近,晚期前颅肌肉与其他组织的发育也开始影响到头骨的形状。团队发现,在鸟类,这样的脑部头骨改变从未发生,头骨的顶部与脑部形状在整个发育过程中持续吻合。也就是说,鸟类维持了胚胎时期脑部与头骨的组态一直到成年。Abzhanov 博士说:“鸟类的头骨及脑与成年非飞禽类恐龙及爬虫类相当不同,我们可以证明这样的差异如何影响鸟类,让它们成为唯一延续恐龙血脉的物种。”

“我们的研究为现代鸟类与白垩纪非飞禽类恐龙间的关联加入进一步的证据,这项观察显示它们的祖先在胚胎发育时期的调整。”

头骨经常用来辨识动物的品种并进行分类,透过追踪特定骨骼结构的改变,可决定动物演化的流程。团队使用 3D 头骨电脑断层扫描及建立头骨模型技术,来分析大范围爬虫类头骨的形状,包括早期爬虫类祖先、已绝种的鳄鱼及恐龙的头骨化石,同时也用到现代品种如短吻鳄及鸟类的胚胎及年幼时期的头骨。不论远祖化石或现代爬虫类,团队使用同样的分析方法比较脑及头骨,并用电脑软件追踪所有形状上的改变。探究演化及发育中,脑与头骨之间的相互作用。

个体身体结构在胚胎发育时期的表现,常能反应出物种在结构演化时发生的改变。头骨的发育是相当复杂的过程,因为这个坚硬的骨骼组织必须与许多器官互动,如眼睛及脑。鸟类的头骨与其他爬虫类相较,在比例上较大且较圆,维持了胚胎最原始的特征。

鸟类的眼袋相较恐龙及其他鳄类大得许多,让它们能有较大的眼睛及较大的中脑,这都是管控飞行活动的中枢。较大的眼睛和脑,尤其是中脑部分,让鸟类发育出较佳的视力并处理视觉讯息,这些特征在始祖鸟也有发现,这也是帮助它们在恐龙大灭绝时得以幸存的演化优势。

▲ 由上至下为鸡、一种外形像鸟的恐龙(Zanabazar)、艾雷拉龙(Herrerasaurus)、古鳄(Proterosuchus)的头骨及脑。(Source:耶鲁大学

团队现正致力于找到真正控制前颅发育及演化的基因机转,也就是说脑部是如何控制头骨发展的大小及形状?Abzhanov 博士说:“演化是一系列发展改变的选择而累积的结果。鸟类是一个相当有趣的研究主题,因为它们保有恐龙始祖的特征,同时也加入自己适应演化的特征,如无齿喙及双翼。”

“鸟类是演化相当成功的生物,多样化的品种能适应地球各种生态,我们相信这与幼体保留有关,但只有透过了解其中的机转,才能确认鸟类这项独特的适应力如何演化出来。”

(首图来源:pixabay

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