“聪明”的头脑从何而来？ ——鸟类脑体积演化的速度和模式 | Cell Press青促会述评

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生命科学

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作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。

本期专栏文章，由来自中国科学院成都生物研究所、中国科学院青年创新促进会会员 李家堂，就Current Biology中的论文发表述评。

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逐步趋于稳定的身体比例演化帮助人类在过去的几十万年间适应了复杂多变的环境。当然，这不仅仅体现在长途迁徙、耐力奔跑等运动能力上，人类本身可算作“大头一族”，其大脑体积与躯体的相对比例相较其近亲物种产生了显著的增大，这样的增大有助于人类进行更为复杂高级的行为，进而决定了人类与动物在意识上的差异[1]。同样地，对于其他物种来说，大脑-身体演化比例异速差异研究也可以帮助了解其特殊性状（器官等）发生的历史及其重要的意义。

在鸟类中，被认为相对较为“聪明”的鹦鹉、乌鸦等都具有“头大”的性状。因此，开展鸟类大脑-身体比例相关演化研究，可以帮助了解在演化过程中大脑-身体比例演化异速发生的原因，为鸟类的多种行为（飞行、复杂社会行为及认知等）做出解释。在最新一期的Current Biology中，Ksepka所在研究团队，通过使用并整合超过2000种包括，现代鸟类、化石鸟类以及四足恐龙的大脑颅腔模型数据，对于鸟类这一形态演化问题进行了初步探讨。

作者首先将所有“大脑-身体比例”信息锚定于相对确定的鸟类系统发育关系（图1）。利用Ornstein-Uhlenbeck (OU)过程，结合phylogenetic analysis of co-variance (pANCOVA)的分析方法，确定在包含四足恐龙在内的大尺度范围下，“鸟类”大脑-身体演化比例的大范围趋势。结果发现，在从四足恐龙向鸟类演变的过程中，大脑的体积并没有发生显著性的变小的趋势。同时，作者还对个别特异物种自身存在比例差异较大的情况做出基于形态学的解释。

▲图1  鸟类大脑身体尺寸演化

由于包含有四足恐龙及多种化石信息，本研究的研究结果更具广泛和一致性。围绕上述分析，作者发现，恐龙灭绝发生的时间，也就是距今6550万年前的白垩纪－古近纪（K-Pg）对于鸟类来说非常关键。在经历了这次大灭绝之后，鸟类整体表现出了大脑-身体异速演化的情况（图 2），这可能是由于生态位的拓展，以及鸟类对于飞行能力的适应，导致鸟类出现了身体逐步缩小的趋势（飞行鸟类都一定程度上表现出此趋势）。

▲图2  鸟类大脑体积演化的相关模式与速率

同时，作者也发现了很多其他的有趣现象：

1）对于恐龙和早期鸟类来说，它们拥有相似大脑体积。

2）早期恐龙、鹦鹉和乌鸦是三个大脑-身体比例差异演化速率最高的类群。

3）虽然鹦鹉和乌鸦同时被认为是发生了大脑-身体比例差异性演化，但是其产生的机制不尽相同。鹦鹉发生这一机制和其他鸟类类似，是由于身体的过度缩小导致比例不同；但是，乌鸦的演化模式表明，其和人类一样，大脑和身体都在增长，只是其大脑增长速率具有更高水平。

本研究通过基于形态学的大数据（包含，四足恐龙和化石鸟类等）分析，阐释了鸟类这一大类群中大脑-身体比例演化速率和模式等相关问题。通过对于这些问题的解释，有助于人们进一步了解鸟类形态演化的历史，为进一步研究提供基础。同时，随着基因组时代的到来，此工作可为基于基因组数据探讨鸟类起源、演化和特殊形状发生机制等科学问题提供有力的支撑。

参考文献

[1] Charles Darwin, The Descent of Man. (1871).

论文摘要

鸟类具有与灵长类动物相近的相对大脑尺寸，但是造成这一现象的驱动力和大尺度模式尚未得到解答。结合鸟类的起源和进化过程，本研究探索了鸟类基本的脑-体比例关系的演变模式。通过一份包含超过2,000种现代鸟类、化石鸟类和兽脚亚目恐龙的综合数据，我们得以从长时间跨度对鸟类脑-体共变模式进行了推断。研究证实，在兽脚亚目恐龙-鸟类过渡期间，伴随小型化或适应飞行进化的趋势，鸟类的相对大脑尺寸没有显著增加。不过，关键的是，兽脚类和基干鸟类的大脑大小与体型之间的整合较弱，允许脑-体比例关系发生快速改变，这为早期冠群鸟类发生急剧转变奠定了基础。研究推断，在白垩纪-古近纪大灭绝后，新鸟类快速的产生了重大转变，表现为多个进化支系发生了由于体型减小而获得了相对较高的大脑大小的现象。鹦鹉和乌鸦具有鸟类中的最大大脑，但是其产生模式完全不同。鹦鹉主要是通过减小它们的体型来实现，而乌鸦虽然同时增加身体和大脑大小，但是其大脑尺寸的进化速度要超过其身体。总的来说，这些模式表明早期在大脑尺寸上发生的适应性辐射为随后的选择和稳定提供了基础。

[中文内容仅供参考，请以英文原文为准]

Relative brain sizes in birds can rival those of primates, but large-scale patterns and drivers of avian brain evolution remain elusive. Here, we explore the evolution of the fundamental brain-body scaling relationship across the origin and evolution of birds. Using a comprehensive dataset sampling> 2,000 modern birds, fossil birds, and theropod dinosaurs, we infer patterns of brain-body co-variation in deep time. Our study confirms that no significant increase in relative brain size accompanied the trend toward miniaturization or evolution of flight during the theropod-bird transition. Critically, however, theropods and basal birds show weaker integration between brain size and body size, allowing for rapid changes in the brain-body relationship that set the stage for dramatic shifts in early crown birds. We infer that major shifts occurred rapidly in the aftermath of the Cretaceous-Paleogene mass extinction within Neoaves, in which multiple clades achieved higher relative brain sizes because of a reduction in body size. Parrots and corvids achieved the largest brains observed in birds via markedly different patterns. Parrots primarily reduced their body size, whereas corvids increased body and brain size simultaneously (with rates of brain size evolution outpacing rates of body size evolution). Collectively, these patterns suggest that an early adaptive radiation in brain size laid the foundation for subsequent selection and stabilization.

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评述人简介

李家堂

青促会会员

中国科学院成都生物研究所研究员

李家堂：

中国科学院成都生物研究所研究员、中科院青促会优秀会员。从事两栖爬行动物系统学与演化生物学相关方面的研究。

Jia-Tang Li is a principle investigator in Chengdu Institute of Biology, Chinese Academy of Sciences. He mainly focuses on diversity patterns, adaptative strategies and evolutionary biology of amphibians and reptiles. He published more than forty research articles, including PNAS, NC, MBE, and NSR, and was selected as a member (2014) and excellent member (2018) of Youth Innovation Promotion Association of CAS.

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相关论文信息

论文原文刊载于CellPress细胞出版社

旗下期刊Current Biology上，

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Current Biology

Volume 30 Number 8

April 20, 2020

中国科学院青年创新促进会（Youth Innovation Promotion Association，Chinese Academy of Sciences）于2011年6月成立，是中科院对青年科技人才进行综合培养的创新举措，旨在通过有效组织和支持，团结、凝聚全院的青年科技工作者，拓宽学术视野，促进相互交流和学科交叉，提升科研活动组织能力，培养造就新一代学术技术带头人。

Youth Innovation Promotion Association (YIPA) was founded in 2011 by the Chinese Academy of Science (CAS). It aims to provide support for excellent young scientists by promoting their academic vision and interdisciplinary research. YIPA has currently more than 4000 members from 109 institutions and across multiple disciplines, including Life Sciences, Earth Science, Chemistry& Material, Mathematics & Physics, and Engineering. They are organized in 6 discipline branches and 13 local branches.

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