現代鳥類起源於一群被稱為獸腳亞目恐龍的雙足恐龍，其成員包括高聳的霸王龍和較小的迅猛龍。與大多數現代鳥類相比，與鳥類最密切相關的獸腳亞目恐龍通常重達 100 到 500 磅——是巨大的生物——它們有又長又大的鼻子、大牙齒，而且頭腦簡單。例如，迅猛龍的頭骨像郊狼一樣，大腦大小大致相當於鴿子。
幾十年來，古生物學家發現的鳥類和恐龍之間唯一的化石聯絡是始祖鳥，這是一種混合生物，長有羽毛翅膀，但卻有恐龍的牙齒和長長的骨質尾巴。這些動物似乎只用了 1000 萬年就獲得了它們的鳥類特徵——羽毛、翅膀和飛行能力，這在進化時間的長河中只是短暫的一瞬間。“始祖鳥似乎完全成熟地出現了，並具有現代鳥類的特徵，”英國布里斯托大學的古生物學家邁克爾·本頓說。
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為了解釋這種奇蹟般的蛻變，科學家們提出了一個通常被稱為“有希望的怪物”的理論。根據這個觀點，重大的進化飛躍需要大規模的基因變化，這些變化在質量上與物種內部的常規修飾不同。故事是這樣說的，只有在短時間內發生的如此重大的改變，才能解釋從 300 磅重的獸腳亞目恐龍到麻雀大小的史前鳥類伊比利亞鳥的突然轉變。
但現在越來越清楚的是，恐龍如何孕育鳥類的故事要微妙得多。發現表明，像羽毛這樣的鳥類特有特徵在鳥類進化之前很久就開始出現，這表明鳥類只是將許多預先存在的特徵應用於新的用途。最近的研究表明，一些簡單的變化——其中包括成年後採用更像嬰兒的頭骨形狀——可能在最終推動鳥類進化中發揮了至關重要的作用。鳥類不僅比它們的恐龍祖先小得多，而且它們還與恐龍胚胎非常相似。諸如此類的適應可能為現代鳥類的突出特徵鋪平了道路，即它們的飛行能力和非常靈活的喙。這項工作證明了巨大的進化變化是如何由一系列小的進化步驟產生的。
虛幻的飛躍
在 20 世紀 90 年代，來自中國的大量新恐龍化石揭示了一個羽毛般的驚喜。雖然許多這些化石缺少翅膀，但它們卻擁有各種各樣的羽毛，從蓬鬆的剛毛到完全鉸接的羽軸。這些新的中間物種的發現填補了零星的化石記錄，引發了古生物學家對恐龍到鳥類過渡的觀念的改變。羽毛曾經被認為是鳥類獨有的，但一定在鳥類進化之前很久就在恐龍中進化出來了。
對這些化石進行的複雜的新分析，跟蹤了結構變化並繪製了標本之間的關係，支援了鳥類特徵在漫長的時間跨度內進化的觀點。在去年秋天發表在《當代生物學》雜誌上的研究中，蘇格蘭愛丁堡大學的古生物學家斯蒂芬·布魯薩特和合作者檢查了來自虛骨龍類的化石，虛骨龍類是產生始祖鳥和現代鳥類的獸腳亞目恐龍亞群。他們追蹤了骨骼特性的數量隨時間的變化，發現沒有巨大的飛躍將鳥類與其他虛骨龍類區分開來。
“鳥類不是一夜之間從霸王龍進化而來的，而是鳥類的經典特徵一個接一個地進化而來；首先是雙足運動，然後是羽毛，然後是叉骨，然後是更復雜的羽毛，看起來像鵝毛筆羽毛，然後是翅膀，”布魯薩特說。“最終的結果是恐龍和鳥類之間相對無縫的過渡，以至於你無法在這兩個群體之間劃出明確的界限。”
然而，一旦這些鳥類特徵到位，鳥類就騰飛了。布魯薩特對虛骨龍類的研究發現，一旦始祖鳥和其他古代鳥類出現，它們就開始比其他恐龍進化得更快。有希望的怪物理論幾乎完全顛倒了：進化的爆發並沒有產生鳥類。相反，是鳥類產生了進化的爆發。“看起來鳥類偶然發現了一種非常成功的新身體構造和新的生態型別——以小尺寸飛行——這導致了進化的爆發，”布魯薩特說。
體型小的重要性
雖然大多數人可能會將羽毛或翅膀列為區分鳥類和恐龍的關鍵特徵，但該群體的小體型也極其重要。新的研究表明，鳥類祖先的體型迅速縮小，表明小尺寸是一個重要且有利的特徵，很可能是鳥類進化中必不可少的組成部分。
與其他鳥類特徵一樣，體型縮小可能在鳥類自身進化之前很久就開始了。去年發表在《科學》雜誌上的一項研究發現，小型化過程開始的時間比科學家預期的要早得多。早在 2 億年前，一些虛骨龍類就開始縮小體型——比始祖鳥出現早 5000 萬年。那時，大多數其他恐龍譜系都在變得更大。“小型化是不尋常的，尤其是在恐龍中，”本頓說。
一旦鳥類祖先長出翅膀並開始嘗試滑翔飛行，這種縮小速度就加快了。去年，本頓的團隊表明，這個被稱為近鳥龍類的恐龍譜系的縮小速度比其他恐龍譜系的生長速度快160 倍。“當其他恐龍變得越來越大、越來越醜陋時，這個譜系卻悄悄地變得越來越小，”本頓說。“我們認為這標誌著當時正在發生強烈的選擇事件。”
快速的小型化表明，較小的鳥類一定比較大的鳥類具有強大的優勢。“也許這種縮小正在開闢新的棲息地、新的生活方式，甚至與生理和生長的變化有關，”布魯薩特說。本頓推測，當鳥類祖先遷移到樹上時，體型小的優勢可能就出現了，樹木是食物和住所的有用來源。
但無論原因是什麼，小體型很可能都是飛行的有用先決條件。雖然較大的動物可以滑翔，但由拍打翅膀驅動的真正飛行需要一定的翼展與重量之比。鳥類需要變得更小，然後才能在空中飛行超過短暫的滑翔。
嬰兒臉
2008 年，哈佛大學的生物學家阿爾卡特·阿布扎諾夫深入研究了鱷魚蛋。由於鱷魚與恐龍有著共同的祖先，它們可以為鳥類提供有用的進化比較。（儘管外表如此，但鳥類與鱷魚的親緣關係比蜥蜴更近。）阿布扎諾夫正在研究鱷魚的椎骨，但最讓他震驚的是它們頭部的鳥類形狀；鱷魚胚胎看起來非常像雞。幼年恐龍的化石頭骨顯示出相同的模式——它們類似於成年鳥類。考慮到這兩個觀察結果，阿布扎諾夫有了一個想法。也許鳥類是從恐龍進化而來的，方法是在生命早期就阻止了它們的發育模式。
為了驗證這個理論，阿布扎諾夫與紐約美國自然歷史博物館的古生物學家馬克·諾雷爾、當時在阿布扎諾夫實驗室攻讀博士學位的巴特-安詹·布拉爾和其他同事一起，收集了來自全球各地的化石資料，包括始祖鳥等古代鳥類，以及在巢穴中死亡的發育中恐龍的化石蛋。他們追蹤了頭骨形狀隨著恐龍蛻變成鳥類而發生的變化。
隨著時間的推移，他們發現，面部塌陷，眼睛、大腦和喙生長。“第一批鳥類幾乎與迅猛龍的晚期胚胎完全相同，”阿布扎諾夫說。“現代鳥類變得更加像嬰兒，並且與它們的胚胎形態相比變化更小。”簡而言之，鳥類類似於可以繁殖的微小、幼稚的恐龍。
這個過程被稱為幼態持續，是一種高效的進化途徑。“它不是提出新的東西，而是利用你已經擁有的東西並對其進行擴充套件，”加州大學伯克利分校的發育生物學家尼帕姆·帕特爾說。
“我們越來越看到，進化的運作比我們以前認為的要優雅得多，”即將於秋季在耶魯大學建立自己實驗室的布拉爾說。“鳥類頭骨的無數變化可能都歸因於幼態持續，歸因於早期胚胎中的一組分子變化。”
為什麼幼態持續對鳥類的進化如此重要？它可能有助於推動小型化，反之亦然。體型變化通常與發育變化有關，因此對小體型的選擇可能會阻止成年形態的發育。“縮短髮育序列的一個簡潔方法是在較小的尺寸停止生長，”本頓說。成年後像嬰兒一樣的頭骨也可能有助於解釋鳥類大腦尺寸的增加，因為嬰兒動物的頭部相對於身體通常比成年動物大。“提高大腦尺寸的一個好方法是將兒童尺寸保留到成年期，”他說。
（事實上，幼態持續可能是一些重大進化轉變的基礎，甚至可能是哺乳動物和人類的進化。我們相對於黑猩猩的大頭骨可能是幼態持續的一個例子。）
更重要的是，幼態持續有助於使頭骨成為一塊空白的石板，選擇可以在其上創造新的結構。透過消除鼻子，它可能為鳥類的另一個最重要特徵——喙——鋪平了道路。
喙的誕生
研究發生在進化時間深處的事情的問題在於，不可能確切地知道發生了什麼。科學家永遠無法精確地破譯鳥類是如何從恐龍進化而來的，也無法破譯哪組特徵對這種轉變至關重要。但隨著進化、遺傳學和發育生物學這三個領域的交叉，他們現在可以開始探索特定特徵是如何產生的。
阿布扎諾夫特別感興趣的領域之一是喙，這是一種非凡的結構，鳥類用它來尋找食物、清潔自己、築巢和照顧幼鳥。他認為，鳥類的廣泛成功不僅源於它們的飛行能力，還源於它們令人驚歎的喙的多樣性。“現代鳥類在臉上進化出了一對手指，”他說。
憑藉他們對鳥類進化的深刻見解，阿布扎諾夫、布拉爾和合作者已經能夠深入研究幫助形成喙的遺傳機制。在新的研究中，研究人員上個月在進化雜誌上發表文章，表明只需進行一些小的基因調整就可以將鳥臉變成類似於恐龍的臉。
在現代鳥類中，兩塊被稱為前頜骨的骨頭融合在一起成為喙。這種結構與恐龍、鱷魚、古代鳥類和大多數其他脊椎動物的結構截然不同，在這些動物中，這兩塊骨頭仍然是分開的，形成了鼻子。為了弄清楚這種變化是如何產生的，研究人員繪製了在各種動物（鱷魚、雞、小鼠、蜥蜴、海龜和鴯鶓，一種讓人想起古代鳥類的活物種）的這些骨骼中表達的兩個基因的活性圖譜。
他們發現爬行動物和哺乳動物有兩個活性區域，一個在鼻腔發育的每一側。另一方面，鳥類有一個更大的單一區域，橫跨面部前部。研究人員推斷，鱷魚模式可以作為恐龍模式的代表，因為它們具有相似的鼻子和前頜骨。然後，研究人員使用化學物質阻斷面部中間的基因，從而在雞胚胎中逆轉了鳥類特有的基因表達模式。（出於倫理原因，他們沒有讓小雞孵化。）
結果：經過處理的胚胎髮育出了更像恐龍的面部。“它們基本上將鳥類胚胎培育成更像已滅絕恐龍形態的東西，”德克薩斯大學奧斯汀分校的古生物學家蒂莫西·羅說，他之前曾與阿布扎諾夫合作過。
這些發現突顯了簡單的分子調整如何引發重大的結構變化。阿布扎諾夫說，鳥類“以一種新的方式使用現有工具來創造一個全新的面孔”。“它們沒有進化出新的基因或通路，它們只是改變了對現有基因的控制。”
與布魯薩特和其他人的研究一樣，阿布扎諾夫的工作挑戰了有希望的怪物理論，並且是在基因規模上這樣做的。喙的創造不需要一些特殊的進化飛躍或大規模的基因變化。相反，阿布扎諾夫表明，塑造微觀進化的相同力量——物種內部的微小變化——也驅動著宏觀進化，即全新特徵和新物種群體的進化。
具體來說，基因調控方式的微小變化可能驅動了最初喙的創造（喙進化了數百萬年），以及鳥類喙的多樣化形狀（鳥類喙的多樣化形狀可以在 幾代人的時間內發生變化）。“我們表明，簡單的調控變化可以產生重大影響，”阿布扎諾夫說。
布拉爾和阿布扎諾夫計劃更深入地研究喙和鳥類頭骨是如何進化的，使用相同的方法來操縱頭骨和大腦發育的不同特徵。“我們才剛剛開始這項工作，”布拉爾說。
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