鸟的“十万个为什么”

原标题：鸟的“十万个为什么”

你知道鸟类的祖先是恐龙吗？你知道企鹅也是鸟类吗？你知道为了一场说走就走的飞行，鸟类失去了牙齿，从而头轻脚重吗？

2014年12月12日，美国《科学》及其他杂志以专刊的形式，集中发布了针对48种鸟类基因组的研究成果，并公布了迄今为止最可靠、最全面的鸟类“生命之树”。这一成果由20个国家、200多名科学家组成的国际团队，历时4年才得以完成。

在专刊中，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所徐星研究员撰写了有关鸟类起源研究的综述文章，来自国家基因库、深圳华大基因的张国捷等人从分子生物学角度揭示了“鸟是如何成为鸟的”。

“鸟类基因组的破译，提供了前所未有的数据，意味着人类可以对鸟类的演化规律进行全方位的研究，将破解鸟类演化中的一个个‘历史悬案’。”徐星说。

□本报记者 谷晓哲

鸟类的祖先是恐龙？

说到恐龙，人们往往想到电影《侏罗纪公园》里凶猛的霸王龙；谈起鸟类，我们头脑中自然浮现的是麻雀、燕子。

二者似乎毫不相干，但近年来发现的大量化石证据显示：在中生代时期，恐龙的一支经过漫长的演化，最终变成了凌空翱翔的鸟儿。

徐星介绍，早在19世纪，英国学者赫胥黎就注意到恐龙和鸟类在骨骼结构上有许多相似之处。“人们发现，将一些恐龙的骨骼切开，它的中空的结构与鸟类非常相似。有些恐龙还具有鸟一样的折叠睡姿。它们睡觉时，前肢对称、侧展、折叠并靠近身体。”

如果鸟类起源于恐龙，那么与鸟类亲缘关系较近的恐龙应该长有羽毛，但相关的化石证据一直未找到。直到20世纪末期，我国科学家在辽宁西部首次发现了保存有羽毛印痕的恐龙化石——中华龙鸟，向世人展示了恐龙长羽毛的证据。而长有四个翅膀的顾氏小盗龙化石的发现，则代表了恐龙向鸟类演化过程中一个不能缺失的环节。

但恐龙到底如何飞向蓝天？借助越来越多的精美化石，人类得以穿越时空隧道，访问中生代的地球，窥探这一演化过程。

据了解，地球上第一种恐龙大约出现在2.3亿年前，和狗一般大小，像鸵鸟一样用两条后腿支撑身体。其后代繁衍成为形态各异的庞大家族，并最终统治了陆地。

千万年后，随着生存环境的变化，其中一些肉食性的恐龙身体开始变化。在三叠纪时期（2亿年前），它们演化出了未来能适应飞行的高效率的单向呼吸系统，并出现了原始的羽毛，不再披着鳞片或鳞甲；在侏罗纪时期（1.45亿年前），近鸟类恐龙开始出现，它们的前肢越来越长，能像鸟翼一样拍打，羽毛也更接近于现代的鸟类。

这之后，一些恐龙可能为了躲避敌害或寻找食物而转移到树上生存。这些树栖的恐龙在树木之间跳跃、降落，慢慢具备了滑翔能力，并最终能够主动飞行。

“不过，有些科学家认为，飞行并非始于树栖生活过程。他们推测，一种生活在地面上的带羽毛恐龙，在奔跑过程中学会了飞翔。”徐星表示，不管怎样，恐龙向鸟类的转化已成为目前论证最详实的演化事件。

“莺歌燕语”之谜

虽然大量的化石从形态学、行为学角度为恐龙起源于鸟类提供了充足的证据，但从恐龙到鸟发生了太多的变化，而且现生的鸟类具有极其丰富的生物多样性，不同鸟类在飞行能力、语言能力、羽毛、食性、生殖等许多方面有较大差异。这些是如何演化形成的？

揭秘鸟类，从基因开始。张国捷告诉记者，理论上，这些问题都可以用基因数据来解决。

为了探索鸟类演化之谜，张国捷及美国杜克大学等机构的研究者组成了国际鸟类基因组研究联盟，于近日完成了乌鸦、隼、鹦鹉、鹰和朱鹮等45种鸟类（加上2010年公布的鸡、火鸡、斑马雀3个基因组，共计48种，覆盖鸟类几乎所有的目）的基因组测序、组装和全基因组比较分析。

研究发现，与其它脊椎动物相比，鸟类的基因组要小很多，大概只有哺乳类平均大小的30%到40%，而且相比哺乳动物，鸟类基因组也更加稳定，基因组重排现象要少得多。同时研究人员还发现，鸟类的祖先从爬行动物中分化出来后丢失了成百上千的基因，这些丢失的基因对鸟类的演化产生了很大影响。

“比如，牙齿相关基因的丢失解释了为何现存所有鸟类都没有牙齿，卵巢发育相关基因的丢失解释了为何鸟类只有单一功能的卵巢。”张国捷说。

除了研究鸟类基因的整体演化，研究者还分析了鸟类一些特有性状的相关基因，从基因角度揭示了鸟类“莺歌燕语”之谜。

为什么鸟儿会鸣叫？为什么有的鸟能模仿其它鸟的声音，鹦鹉甚至能学人说话？

为了探究鸟类鸣唱学习能力背后的分子机制，研究人员比较了人类与恒河猴、具有鸣唱学习能力的鸟类和其他鸟类在大脑的不同区域的基因表达情况。

研究发现，在人类大脑中，有特定的两个区域分别控制发出已经学会的声音和模仿、探索其他声音。具有鸣唱能力的夜莺、鹦鹉等鸟类也有类似的区域，并且基因表达模式与人类趋同。鸟类有50多个相关基因在上述区域表现出了相似的变化模式，而且这些基因能加强鸣唱学习区域和声带驱动神经的联系。

“这意味着，相比灵长类动物，鸟类的鸣唱与人类的语言非常相似。对鸟类语言进化的研究，将为研究人类的语言学习提供帮助，有可能解答关于人类言语的问题，如基因突变为何会导致语言障碍等，也将有利于对语言障碍患者进行治疗。”张国捷表示，看似与普通人并无直接关系的鸟类研究，未来或将对人类生活产生影响。

最靠谱的“鸟类家谱”

麝雉是一种类似野鸡的热带鸟，它的分类地位一直备受争议。有研究认为它属于鸡形目，后来又认为是鹃形目，近年来有研究者提出它应该自成一目。麝雉的这种“尴尬”局面只是鸟类分类学中的一个普通例子。

据了解，鸟类的家族演化及分类一直是未解之谜。之前所有试图重建鸟类演化树的努力，无论是用部分DNA测序，还是使用解剖学、行为学的特征分析，都遇到很多的困难，所得到的演化树之间充满矛盾。因此虽然研究者众多，但在2010年前，鸟类2/3以上的目、科分类级别关系混乱。

“因为鸟类在早期演化历史上经历了一次物种大爆发，由于爆发的时间很短，没有演化出足够多的基因序列差异，使得现存鸟类的演化关系难以区分。”张国捷说。

通过对48种鸟类全基因组数据的比较分析，研究人员获得了大量数据信息，搞清楚了鸟类之间的关系图谱和分化时间，据此构建了有史以来可信度最高的鸟类“生命树”。

根据这棵“生命树”，占现存鸟类95%的物种被划为新鸟小纲（鸟类的其中一个纲），这一纲又分成雀类和鸽类两支，这两大分支分别独立演化出了不同的陆禽和水禽。在雀类分支中，陆生鸟类的共同祖先是位于生态链顶端的捕食者，而具有鸣唱学习能力的鸟类则有独立的多个起源。在鸽类中，鸽子和火烈鸟其实是姐妹分支。

总览“生命树”，我们还可以发现，人们所熟悉的鸡鸭依旧是一家，被列入鸡雁小纲。猫头鹰也并未和其它猛禽聚集，而是自成鸮形目。有些原本认为是一家子的鸟儿，比如鸬鹚和鹈鹕，其实血缘关系并不那么亲近，也有些原本以为孤家寡人的鸟儿终于找到了亲戚。而上文提到的麝雉最终被确认应该自成一目。

徐星表示，鸟类生命树前所未有地厘清了鸟类家族的演化关系，构建了一幅清晰的鸟类家谱图，彻底解决了鸟类的早期分支问题。

将这棵“生命树”放到时间的框架下，研究人员还揭示了鸟类物种大爆发之谜。

在白垩纪晚期，现生鸟类的祖先还只有三四个分支，而短短2000万年后，现生鸟类的主要分支都已经大体成形了，目前现生鸟类约有10500个物种。

“之所以会发生这样的物种大爆发，显然和白垩纪－第三纪灭绝事件密切相关。这次事件灭绝了包括恐龙在内的大部分动物。而现代鸟类的祖先则逃过了这场浩劫，这些幸存的鸟类迅速填补到缺失的生态链中，演化形成了不同物种。”徐星说。