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48种基因组测序揭秘鸟类起源鸟的“十万个为什么”

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2024-10-27 17:35

“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。

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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。

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鸟类如何“无齿”

现存的1万多种鸟类毫无例外都没有牙齿！但曾经，鸟也是有牙的。

之前的化石研究发现，生活在约1.5亿年前的始祖鸟是有牙齿的。已知最早没牙齿的鸟是在我国辽宁发现的孔子鸟，生活在大约1.2亿年前，而同时期的鸟类很多是有牙齿的。这也意味着鸟类的牙齿是在演化中逐渐丢失的。那么，鸟类的牙齿为何会丢失？

答案就是：为了一场说走就走的飞行。

为了满足持续飞行的需要，鸟类开始用嘴来获取并快速吞下食物，同时鸟类还演化出嗉囊和砂囊来储存消化食物。食物在嗉囊中软化，再经砂囊磨碎，最后消化与吸收。这些都取代了牙齿的功能，导致牙齿逐步退化。

综合化石和基因组的证据，科学家推测现存鸟类的共同祖先丢失牙齿的具体时间为：牙釉质的丢失是在大约1.16亿年前，整个牙齿的丢失不晚于1亿年前；丢失牙齿的全过程为：先是前颌上的牙齿丢失和嘴的上部先角质化，然后形成了完全的喙，之后丢失了全部牙齿。

牙齿的丢失还帮助了鸟类成功减肥，同时配合骨骼的极端轻量化，使得鸟的重心从头部向身体后方、下方转移，从而飞行更加稳定。

鸟落“南洋”戏水去

外表呆萌的企鹅，其实也是鸟类的一支，但它们是特立独行的一类。它们的翅膀和羽毛已经退化，成为不会飞的鸟。

最近，科学家首次对两种生活在南极大陆的企鹅（帝企鹅和阿德利企鹅）进行了全基因组测序，从基因组水平进一步窥探企鹅“另类”的秘密。

基因分析发现，在鸟类大家族中，离企鹅最近的是鹱形目的鸟类，这其中有人们熟悉的信天翁和海燕，说明企鹅的祖先都是海鸟。大约在6000万年前，企鹅跟鹱形目各自形成。据猜测，由于当时全球气候变暖，使得企鹅的祖先可以飞到南半球纬度更高的海域，最终到了南极。

但企鹅是如何适应南极恶劣的气候条件的？研究发现，在企鹅基因组中，有多个与脂肪代谢相关的基因受到了自然选择。这些基因影响着脂肪在企鹅体内的合成、代谢及贮藏。同时研究还发现，多个与前肢发育相关的基因发生了特异性突变，其中两个发生突变的基因EVC和EVC2，在人类当中发生突变后会导致四肢短小。研究人员推测，这些基因的改变帮助企鹅在演化过程中由于御寒的需要，不断改变脂肪的代谢与贮藏方式，将自己的小蛮腰变成了水桶腰，同时使企鹅演化出了适合游泳的小短肢，有利于它们在水下捕食，最终帮助企鹅笑傲南极。（河北日报、河北新闻网记者谷晓哲）