姜靖

鳥類沒牙齒，是為了減重還是基因突變

人類對鳥喙形態(tài)的研究歷史可以追溯到19世紀(jì)中葉。當(dāng)時(shí)，達(dá)爾文在隨“貝格爾”號進(jìn)行環(huán)球航行時(shí)，注意到了生活在加拉帕戈斯群島不同島嶼上的地雀具有不同形態(tài)的喙，可以幫助它們適應(yīng)不同的食性并占據(jù)不同的生態(tài)位。雖然達(dá)爾文將這一發(fā)現(xiàn)作為支持物種進(jìn)化的有力證據(jù)寫入了《物種起源》，但他并沒有回答鳥類牙齒如何丟失的問題。

最早關(guān)注鳥類牙齒丟失問題的可能是荷蘭古生物學(xué)家海爾曼，他在1927年出版的《鳥類起源》中提到：“最早的鳥類有牙齒，但是后來鳥類長出了角質(zhì)喙，因?yàn)榻琴|(zhì)喙代替了牙齒的功能，牙齒不再使用，所以就逐漸退化了?！彪m然海爾曼并沒有回答鳥類的牙齒是怎么退化的，但此后的整個(gè)20世紀(jì)幾乎沒有人對這一解釋提出過疑問。20世紀(jì)50年代，甚至有人進(jìn)一步提出，鳥類牙齒丟失是為了減輕體重，從而更利于飛行。

“為了獲得一個(gè)功能而失去或得到一個(gè)器官，在演化上是很難實(shí)現(xiàn)的，這就好比人類想飛上天，但從來不會長出翅膀。”首都師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的學(xué)者王爍說。不過，當(dāng)時(shí)并沒有人對此提出質(zhì)疑?！耙?yàn)椴徽撌侵С诌€是反對都需要證據(jù)，當(dāng)時(shí)全世界發(fā)現(xiàn)的早期鳥類化石非常稀少，由于標(biāo)本有限而且相當(dāng)破碎，人們根本無法系統(tǒng)地推測早期鳥類到底長什么樣兒，也不清楚究竟是只有始祖鳥還是所有的早期鳥類都長有牙齒?！?/p>

在隨后的很長一段時(shí)間里，科學(xué)界對此并無更深探討。直到2014年年底，有學(xué)者在分析了數(shù)百種沒有牙齒的現(xiàn)生脊椎動物基因序列的基礎(chǔ)上提出：鳥類沒有牙齒是因?yàn)樗鼈兣c牙齒發(fā)育相關(guān)的基因發(fā)生了突變。

“實(shí)際上，大多數(shù)早期鳥類是長牙的，只不過長得不是很整齊，有些丟失前面的幾顆牙，有些丟失后面的幾顆牙。牙齒只要能生長就說明早期鳥類與牙齒發(fā)育相關(guān)的基因并沒有發(fā)生突變，而是某些其他的原因?qū)е铝锁B類牙齒的丟失。因此從那時(shí)候起，我就懷疑這些學(xué)者的觀點(diǎn)可能是站不住腳的?！蓖鯛q說。

牙齒長丟了，是否緣于異時(shí)發(fā)育退化

2016年12月22日，王爍的研究團(tuán)隊(duì)曾報(bào)告稱，他們在新疆發(fā)現(xiàn)了一種幼體長牙、成體無牙的恐龍——難逃泥潭龍。

這種恐龍剛出殼時(shí)，嘴里至少有42顆牙齒，到了半歲時(shí)就只剩下34顆，而到了接近1歲時(shí)牙齒就全部沒了。這是科學(xué)家第一次在恐龍中觀察到牙齒長丟了的現(xiàn)象。為此，他們試圖從中探析鳥類牙齒丟失之謎。

研究小組發(fā)現(xiàn)，牙齒在個(gè)體發(fā)育過程中，逐漸丟失的現(xiàn)象在竊蛋龍類和基干鳥類中同樣存在，并且在恐龍向鳥類演化的過程中，牙齒異時(shí)發(fā)育丟失的時(shí)間不斷提前。研究小組稱，這說明牙齒的異時(shí)發(fā)育退化才是導(dǎo)致鳥類牙齒丟失的直接原因。

所謂異時(shí)發(fā)育，就是發(fā)育的時(shí)間和速率發(fā)生的改變。我們看到的動植物的很多特征都是異時(shí)發(fā)育的結(jié)果，比如雄獅長有鬃毛，雌獅則沒有。這是因?yàn)樵谶@個(gè)特征上雄獅比雌獅多走了“一步”。在王爍看來，對于鳥類的牙齒丟失而言，相對其祖先獸腳類恐龍，它們不是多走了一步，而是少走了一步。

鳥類的祖先恐龍是有牙齒的，但是有那么幾種恐龍，第一代時(shí)牙齒還在，隨后的幾代牙齒慢慢就不長了，取而代之的是慢慢長出來的角質(zhì)喙。最初長牙的基因沒有突變丟失，而是慢慢關(guān)閉了。作為一個(gè)新出現(xiàn)的器官，角質(zhì)喙慢慢取代了牙齒的功能，成為鳥類取食的重要器官。此后，作用于牙齒發(fā)育基因上的自然選擇壓力逐漸減小，這些基因開始發(fā)生突變。這說明科學(xué)家在現(xiàn)生鳥類中發(fā)現(xiàn)的基因突變是鳥類演化后期才出現(xiàn)的現(xiàn)象，而早期鳥類牙齒丟失的真正原因是異時(shí)發(fā)育?！叭祟惉F(xiàn)有的技術(shù)還不能直接檢測鳥類化石上殘留的遺傳物質(zhì)，因此要想回答鳥類的牙齒是如何丟失的問題，必須借助于古生物學(xué)證據(jù)?！蓖鯛q說。

恐龍掉牙關(guān)鳥類啥事

那么，問題來了?？铸堁例X丟失與鳥類喙的演化有什么關(guān)系？

王爍解釋說：“目前的證據(jù)普遍支持獸腳類恐龍是鳥類的祖先，因此要研究鳥類起源以及鳥類重要特征的起源，就得先知道鳥類的祖先身上發(fā)生過什么。這一點(diǎn)就好比我們想知道人類的起源，就需要研究猩猩一樣?！?/p>

相比以往關(guān)于鳥類牙齒丟失的假說，這一新的發(fā)現(xiàn)更有說服力。首先，通過基于大數(shù)據(jù)的特征相關(guān)性分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，鳥類牙齒的丟失與角質(zhì)喙的發(fā)育存在著必然的聯(lián)系。以往的研究表明，骨形態(tài)發(fā)生蛋白不僅控制著牙齒發(fā)育，也參與了角質(zhì)喙的發(fā)生過程。通過發(fā)育生物學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這一信號通路表達(dá)的上調(diào)在引起牙齒發(fā)育中斷的同時(shí)還可以促進(jìn)角質(zhì)喙的生長——這一結(jié)果第一次闡明了引起牙齒異時(shí)發(fā)育退化的可能的機(jī)制。

其次，從泥潭龍到竊蛋龍?jiān)俚皆缙邙B類身上都存在這一現(xiàn)象，這說明牙齒的異時(shí)發(fā)育丟失是脊椎動物牙齒演化常用的一種“手段”。

通過形態(tài)學(xué)、演化發(fā)育生物學(xué)、大數(shù)據(jù)分析等分析手段獲得的這些研究成果具有很高的可信度。這標(biāo)志著鳥類牙齒如何丟失這個(gè)困擾科學(xué)家將近一個(gè)世紀(jì)的科學(xué)問題，或許最終得到了回答。