解碼鳥類獨特頭骨結構與恐龍血脈相傳的祕密

作者 | 發布日期 2017 年 10 月 01 日 0:00 | 分類 生物科技 , 自然科學 follow us in feedly

恐龍迷可能已被今年發生的「恐龍分類大革命」震撼,今年 3 月刊登於《Nature》期刊的一篇文章,大大顛覆了恐龍的分類,重寫了恐龍的演化樹,其中包括最熟為人知的暴龍(Tyrannosaurus rex),所屬的獸腳亞目(Theropoda)已從蜥臀目(Saurischia)移至鳥腿目(Ornithoscelida),鳥類的起源也歸入這個新建立的類別,又更拉近了鳥類與暴龍之間的親緣關係。



鳥類與恐龍演化關聯的研究近年來不斷推陳出新,2014 年十大科學突破之一,就是建立了鳥類從恐龍演化而來的證據;Arkhat Abzhanov 博士及研究團隊在 2015 年也提出了鳥類頭骨和腦在外觀上與白堊紀晚期恐龍十分相似的論點,針對這點他們不斷地搜集資料並進行分析比對,最近這篇發表於《Nature Ecology and Evolution》的文章總結了他們近年來努力的成果,並對鳥類獨特的演化以倖免於物種大滅絕存活至今,提供了一些線索。

(Source:SCIENCE.org

鳥類是有羽毛恐龍(feathered dinosaurs)中,唯一存活至今的品種,正因如此,圍繞著鳥類演化的研究相當蓬勃發展。Abzhanov 博士及團隊指出,鳥類有獨特的骨骼結構,特別是喙及頭骨,包括較寬大的半圓頂型前顱骨,相對能容下較大的腦及眼睛,Abzhanov 博士認為這是一種稱為幼態保留(paedomorphism)的演化現象。當成年個體還保留胚胎或嬰兒時期特徵的現象,稱為幼態保留現象,鳥類這樣特殊的頭部結構又稱做「娃娃臉」(baby face),就像人類嬰幼兒時期,頭部會佔全身較大比例。幼態保留現象是由於器官發展的時間點改變所造成。也就是說,身體某些部分到後期才開始發育、發育較慢或甚至永遠不會發育。

幼態保留現象在一些新品種進化扮演重要角色,包括相較於其他外觀較成熟、具親緣的物種,幼態保留能讓物種在早期適應不同的生活方式,避免競爭相同資源。為了更深入了解鳥類獨特頭骨結構,以及與原始爬蟲類演化而來的關聯,Abzhanov 博士及團隊開始分析鳥類及鳥類的爬蟲類近親的腦及頭骨之間的關聯,研究這兩個結構在胚胎發展時期是如何互相關聯。

脊椎動物的頭骨是由一系列腦部特定區域相關的大型骨骼形成。舉例來說,前額骨覆蓋了前腦,而頂骨覆蓋了中央部位的腦。早期胚胎時期腦部的發育,頭骨很接近腦部的形狀,新的研究指出,大多數脊椎動物,額骨及頂骨間的交界與前腦及中腦的交界相當吻合。

然而,在恐龍、鱷類及其他爬蟲類發育的晚期,頭骨與腦部的發育不再接近,晚期前顱肌肉與其他組織的發育也開始影響到頭骨的形狀。團隊發現,在鳥類,這樣的腦部頭骨改變從未發生,頭骨的頂部與腦部形狀在整個發育過程中持續吻合。也就是說,鳥類維持了胚胎時期腦部與頭骨的組態一直到成年。Abzhanov 博士說:「鳥類的頭骨及腦與成年非飛禽類恐龍及爬蟲類相當不同,我們可以證明這樣的差異如何影響鳥類,讓牠們成為唯一延續恐龍血脈的物種。」

「我們的研究為現代鳥類與白堊紀非飛禽類恐龍間的關聯加入進一步的證據,這項觀察顯示牠們的祖先在胚胎發育時期的調整。」

頭骨經常用來辨識動物的品種並進行分類,透過追蹤特定骨骼結構的改變,可決定動物演化的流程。團隊使用 3D 頭骨電腦斷層掃描及建立頭骨模型技術,來分析大範圍爬蟲類頭骨的形狀,包括早期爬蟲類祖先、已絕種的鱷魚及恐龍的頭骨化石,同時也用到現代品種如短吻鱷及鳥類的胚胎及年幼時期的頭骨。不論遠祖化石或現代爬蟲類,團隊使用同樣的分析方法比較腦及頭骨,並用電腦軟體追蹤所有形狀上的改變。探究演化及發育中,腦與頭骨之間的相互作用。

個體身體結構在胚胎發育時期的表現,常能反應出物種在結構演化時發生的改變。頭骨的發育是相當複雜的過程,因為這個堅硬的骨骼組織必須與許多器官互動,如眼睛及腦。鳥類的頭骨與其他爬蟲類相較,在比例上較大且較圓,維持了胚胎最原始的特徵。

鳥類的眼袋相較恐龍及其他鱷類大得許多,讓牠們能有較大的眼睛及較大的中腦,這都是管控飛行活動的中樞。較大的眼睛和腦,尤其是中腦部分,讓鳥類發育出較佳的視力並處理視覺訊息,這些特徵在始祖鳥也有發現,這也是幫助牠們在恐龍大滅絕時得以倖存的演化優勢。

▲ 由上至下為雞、一種外形像鳥的恐龍(Zanabazar)、艾雷拉龍(Herrerasaurus)、古鱷(Proterosuchus)的頭骨及腦。(Source:耶魯大學

團隊現正致力於找到真正控制前顱發育及演化的基因機轉,也就是說腦部是如何控制頭骨發展的大小及形狀?Abzhanov 博士說:「演化是一系列發展改變的選擇而累積的結果。鳥類是一個相當有趣的研究主題,因為牠們保有恐龍始祖的特徵,同時也加入自己適應演化的特徵,如無齒喙及雙翼。」

「鳥類是演化相當成功的生物,多樣化的品種能適應地球各種生態,我們相信這與幼體保留有關,但只有透過了解其中的機轉,才能確認鳥類這項獨特的適應力如何演化出來。」

(首圖來源:pixabay)