“無齒”之徒的鳥類何時丟掉了牙齒？鳥類“生命天書”蘊藏了這些秘密

地球上現存有約一萬種鳥類，它們是四足類脊椎動物中物種最豐富的類群。由於具有眾多特殊的性狀和生理功能，如飛行、生物導航、超級遠視、高效代謝等，鳥類體內蘊藏著重要的生物基因資源。

為探索現代鳥類的起源、演化歷程、物種性狀多樣性的形成及維持機制，由中國科學家牽頭、20多個國家和地區的科研人員組成的國際研究團隊，於2015年啟動了“萬種鳥基因組計劃”（B10K）。

七年來，該計劃已累計完成了3000多種鳥類組學資料和表型資料的數字化工作，從中發現了大量有趣的鳥類演化故事。

（圖片來源：B10K官網）

β角蛋白與斑斕羽衣

羽毛是鳥類最鮮明的特點之一，不同類群的鳥類往往擁有獨特的羽毛，以適應不同的生活環境。研究團隊透過研究48種鳥的全基因組資訊，揭示了鳥類羽毛演化的奧秘。

鳥類的羽毛屬於表皮的一部分，而角蛋白是製作鳥類“服裝”的重要材料，不同鳥類的“服裝”需要透過選取不同型別和不同數目的角蛋白來量身定製。鳥羽主要由α角蛋白和β角蛋白構成，其中β角蛋白是爬行動物和鳥類所特有的，且各類主要β角蛋白均參與了羽毛的發育過程。

研究表明，角蛋白的基因數量以及β角蛋白不同亞類的組成比例，對鳥類羽毛的多樣性和對不同生活環境的適應都有著重要的影響。例如，水生鳥類相比陸生鳥類含有較少的羽毛β角蛋白，但擁有更多的角化細胞β角蛋白。這可能與水生鳥類羽毛的疏水性和調節溫度的功能有著重要關聯。此外，肉食性鳥類中含有更多的爪子β角蛋白。這表明β角蛋白對猛禽類爪與喙的演化起著關鍵作用。

無牙也能美食自由

一口好牙對很多動物都極其重要，然而鳥類卻是一群“無齒”之徒。不過，化石研究發現，一些古鳥是有牙齒的。我國遼西發現的1。2億年前孔子鳥，是迄今已知最早的沒牙齒鳥類，與其同時期的很多鳥類仍保有牙齒。這意味著鳥類是在演化中逐漸丟失了牙齒。

透過對鳥類和其它脊椎動物牙齒相關基因的詳細分析，科學家發現，多個與牙釉質形成和牙本質形成的相關基因，在所有鳥類的基因組中都已丟失或只剩下殘留序列，鳥類也因此喪失了生成牙齒的功能。

根據推斷，現存鳥類的共同祖先丟失牙釉質的時間約在1。16億年前，所有牙齒的丟失不晚於1億年前。為了滿足持續飛行的需要，鳥類用喙來獲取食物並快速吞下，同時演化出嗉囊和砂囊來儲存和消化這些食物，這一系統在鳥類中取代了牙齒的功能。丟牙後的鳥類獲得了更多形態的喙，並令喙發展出了交流、整理羽毛和溫度調控等多種功能。

飛羽助力翱翔天空

鳥類飛翔需要很多配置，比如舒展的翅膀、發達的胸肌、流線的身體和中空的骨骼等。飛羽是其中的一種重要“裝備”，這些生長在翼區後緣的羽毛，是賦予鳥類飛行能力的最重要特徵。

飛羽是如何演化形成的？透過比較48個鳥類物種的基因組和9個其它類群脊椎動物基因組（涵蓋哺乳類、爬行類、兩棲類和魚類），科學家發現約有1%的鳥類基因組區域屬於鳥類基因組特異性保守序列（ASHCEs），而且超過99%都落在非編碼區。由此研究人員推斷，鳥類特異表型的產生，並不是透過增加新的蛋白編碼基因來實現，而是透過改變非編碼區的調控序列，從而影響基因的表達。

（圖片來源：視覺中國）

隨後，研究團隊找到了一個重要基因——SIM1。該基因行使功能的時間和位置與飛羽的發育時間和位置相契合。經研究發現，SIM1以及其關聯的ASHCE對鳥類飛羽的形成有著重要作用。而這個鳥類特有性狀正是因為鳥類祖先在與其他恐龍分化後，在SIM1基因附近獲得了一個關聯ASHCE元件，才促使了鳥類飛羽功能的形成。

鳥鳴與人語演化趨同

歌唱是鳴禽的一項特殊功能。鳥的發聲包括鳴唱和鳴叫兩種，鳴叫一般指相對簡單的發聲，而鳴唱則代表更復雜的發聲。

鳥類依靠鳴管和鳴肌發聲，鳴管位於氣管與支氣管交界處，由若干個擴大的軟骨環及其間的鳴膜組成。鳥類的鳴唱依賴於前端腦通路來控制鳴曲的可塑性，並依靠發聲運動通路保持鳴曲的穩定性，兩者相互調節，以控制鳥類的發聲學習。

2014年，B10K在美國《科學》雜誌發表論文，報道了在具有發聲學習能力的鳥類中，其發聲學習相關的腦區與人類語言學習相關的腦區，在解剖位置上高度同源。儘管人類和鳥類的血緣關係非常遙遠，但進一步研究卻發現，發聲學習的鳥類和人類在大腦神經通路上非常相似，展現出了獨立演化的相似性。

作者：B10K研究組

編輯：許琦敏

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