鸟喙演化大爆炸
2017-2-2
翻译：Wildcat Crazybirdy
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最新研究表明：如今我们见到的鸟类各种各样的喙，都是源自一场突然发生的演化大爆炸，鸟喙继而在其后的六千五百万年间缓慢演化。
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图片来源：THINKSTOCK
数千万年前鸟类的演化造就了今天多种多样的鸟喙，鸟类唱歌离不开它，觅食得依靠它，战斗也少不了它：细长如麦芒，泥地里精准地夹起虫子，尖钩把腐肉撕成碎块，喉囊用来取水吞鱼…放眼自然界，鸟类演化出五颜六色、形式各样、用途万千的喙。尽管科学家已经在理论上解释了鸟喙的多样性是如何演化的，但一直都缺少相应的工具和化石样本来重构演化历史的图景。
如今，由于公众科学家的努力以及上千份数字化鸟喙数据，研究人员总算可以着手理顺数百万年的鸟喙演化史——并且取得十分喜人的结果。2017年2月1日发表在《自然》杂志的一篇论文中，由英国谢菲尔德大学研究团队主导的研究显示：鸟喙有两次彼此独立的演化高峰，它们发生在距今六千五百万年前。在那之后，鸟喙演化的速度放慢，就只是系统性地完善。
科学家很早就对鸟类演化多样性的过程做出诸多推测。但在此之前，由于缺少化石记录以及技术陈旧的原因，科学家一直无法验证这些假说。论文的作者简·布莱特（Jen Bright）是英国谢菲尔德大学（the University of Sheffield）和美国南佛罗里达州大学（the University of South Florida）的古生物学家，她说鸟喙化石的记录无比糟糕。像鸟类这样的小型生物很少有化石，有化石的也不大可能是头骨，在存量稀少的头骨化石中，也基本没有鸟喙。因为鸟喙的外壳是相对柔软的角蛋白，本身就很难变成化石。
一只欧亚鸲（Erithacus rubecula）正在接受头部及喙的扫描
图片来源：LARA NOURI/ NATURAL HISTORY MUSEUM
由于上述困难，研究人员把目光转向收藏于两个英国自然历史博物馆的现生鸟类标本，这两个博物馆分别是特林的自然历史博物馆和曼彻斯特博物馆。两年来，研究人员使用3D扫描技术把博物馆的鸟类标本的喙进行数字化（如上图）。尤其重要的是，数字扫描让研究人员不仅可以研究鸟喙的长、宽、高等传统的量度，还获得了曲率等 3D特征。“这样就可以弥补过去人们测量鸟喙传统方法的局限性。”布莱特说。
数字扫描的数据库建立后，研究人员标记出鸟喙的主要位置，或者说显著特征。由此得以量化样本间的相似部分和差异。借助电脑，科研人员标记出鸟喙的尖端，定位鸟喙和脸部的交接位置，确定曲率以及其它显著特征。没过多久他们便发觉这是一个纯粹的体力活。“我们粗略地算了下，发现靠我们自己根本做不完这个工作。”布莱特说。
多种多样的鸟喙
图片来源：GAVIN THOMAS
所以研究人员决定建立一个公众科学网站以便向公众寻求帮助。“帮我标记鸟类”是一个使用外界帮助来标记海量数据库的项目。平均三个人标记一个鸟喙，这样就有足够的人数来避免明显错误。布莱特说最杰出的贡献来自一群超级热心的用户，其中就有一个热心人标记了1400多个种的鸟喙。之后研究人员把标记好的鸟喙放到鸟类的系统发生树上来分析它们形成时间以及演化方式。
（网站地址：https://www.markmybird.org）
研究人员发现许多现有鸟喙曾经的演化过程好似烟花。就这样突然的爆炸，由少数几种鸟类演化出许多种鸟来，布莱特形容它们“像烟花一样突然炸开，然后在尾部散开”从而形成系统发生树的枝杈（如上图）。这一时期有些“创新性的性状”开始了密集的演化，造就了物种多样性。鸟类许多新的科也在此时形成，随之而来的还有新的鸟喙类型。
克里斯·库尼（Chris Cooney）是谢菲尔德大学的演化生物学家，他说“这一过程和当年的达尔文雀很类似，但涉及到的不仅仅只是数十种鸟类，而是数千种。”
研究人员回溯鸟喙在系统发生的时间，发现演化爆发很可能发生在距今6500万~8000万年前（如上图）。巴特·安·布拉（Bhart-Anjan Bhullar）是耶鲁皮博迪自然历史博物馆（the Yale Peabody Museum of Natural History）的古生物和发育生物学家，但并没有参与该项研究。他说如果发生在距今6500万年前，那么它和白垩纪晚期大灭绝事件（Late Cretaceous mass extinction event）的时间吻合。这次事件使得地球上四分之三的动植物灭绝，其中包括恐龙。Bhullar接着解释说，大规模的生物灭绝使得幸存的生物可以“自由”地参与到适者生存的演化游戏中，鸟类从此可以开拓曾经被其它物种占据的食物来源和栖息地。如此剧烈的变化会加速鸟喙演化。
鸟喙形状的主成分分析（PCA）散点图，坐标轴代表对应的主成分（PC1-8），分别代表不同弯曲度的鸟喙，内侧为喙部俯视图、外侧为喙部侧视图。每一个坐标代表解释的变异比例和系统发育信号（Pagel’s λ）的估计，不同颜色的点表示物种的数量，红色数量较高，紫色数量较低。
意识到上述理论的可能性，研究人员仍然对于他们的推测持审慎的态度。因为布莱特承认科学家并不能肯定恐龙和原始鸟类曾经竞争过同样的资源。
最初的大规模爆发式演化事件发生后，鸟喙演化的速率和形式都有所变化。库尼说，鸟喙的表型开始了“改进和精细”地演化。换句话说，在这一时期，鸟喙的改变是细微的。研究人员认为不同的鸟类类群在自然环境中找到了自己的角色后，演化的速率就慢了下来。有观点认为，演化随时间发生的速率很慢，但随环境压力的升高变化得较快，鸟喙演化的规律与该观点相符。
研究结果令人振奋，但团队并未就此满足。公众科学家们可以继续在该网站上标记鸟喙，目前上传的8000多种鸟喙也只标记了一半（该研究分析了超过2000 种鸟喙）。如果仔细研究数据，还有很多问题值得深入挖掘。库尼说研究方向包括特定类群的鸟类如何演化其鸟喙，比如鹦鹉或鹈鹕；或者特定地区的鸟喙如何演化，比如大陆和海岛。谁知道这个项目能为鸟类演化带来什么更多的新成果——也许这项研究能对达尔文雀喙的演化带来新的洞见，毕竟鸟喙演化激发了达尔文最初去探索物种的起源。
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