鸟类是如何从恐龙进化而来的?

1862年,考古学家发现了第一只始祖鸟的遗骸。复原后发现,这种史前生物的大小和形状与喜鹊相似。它有着又宽又圆的长翅膀和一条长长的尾巴,但它的颚骨上有锋利的牙齿,三个脚趾上有弯曲的爪子,尾巴是骨质的,这与恐龙的尾巴完全相似。始祖鸟化石成为鸟类由恐龙进化而来的最有力证据。

那么,始祖鸟是从什么样的恐龙进化而来的呢?答案是兽脚类恐龙。兽脚亚目动物与鸟类的相似之处包括:脚掌有三个脚趾,胸部有“叉形骨”,骨头里充满了空气。

兽脚类恐龙的家族成员中,有体型巨大的霸王龙,也有体型较小的迅猛龙。霸王龙长约13米,重约6.8吨。不用说,就连小迅猛龙的体重也有15公斤左右,与现代鸟类相比,简直是庞然大物。那么,现在这么巨大的恐龙是怎么进化成小鸟的呢?

基因突变?

20世纪前30年,主流解释是“希望怪物论”。

这种理论认为,与物种内部的缓慢进化不同,一个物种的重大变化一定是由于大规模的遗传变异。比如136公斤的食肉恐龙变成了麻雀大小的史前伊比利亚鸟,恐龙的鳞片突然进化成了羽毛,其中的遗传物质一定发生了巨大的变化。

然而,在20世纪90年代,中国发现了一种新的恐龙化石——孔子鸟化石。虽然这块化石表明恐龙当时没有翅膀,但其实它们全身都是羽毛。以前,羽毛被认为是鸟类特有的。

后来研究人员还发现,鸟类的呼吸系统在恐龙身上就已经出现了。始祖鸟和9300多种现代鸟类的祖先——骨龙(一种特殊的小型恐龙,后来由兽脚亚目恐龙进化而来)在骨骼结构上没有太大的不同。这些发现与希望的怪物理论背道而驰:恐龙没有突变就进化成了鸟类。那么,如果不是基因突变,那是什么呢?

如果你想变成一只鸟,先减肥。

2014年,来自澳大利亚、英国和意大利的研究人员根据120种恐龙的1500多个解剖特征,发现了兽脚类恐龙成功进化的奥秘——“瘦身”运动。原来,兽脚类恐龙是唯一一种在其他恐龙还在生长的时候,体型却在缩小的恐龙。它们的收缩速度是其他恐龙的160倍。它的平均体重在2100万年前是163公斤,在大约160万年前进化成始祖鸟时已经下降到0.8公斤。

对于恐龙来说,变得极小是非常重要的,这可能是鸟类进化过程中最关键的一步,因为体型小可能是飞行的前提。虽然体型巨大,可以滑翔,但真正的用翅膀飞行需要通过拍动翅膀产生推力,这就需要保持翅膀大小和重量之间的特殊比例。所以,在大恐龙变成鸟之前,它经历了一个漫长的“瘦身”过程。研究人员估计,这种“瘦身运动”对兽脚亚目恐龙家族来说耗时约5000万年。

然而,兽脚亚目恐龙是如何成功“瘦身”的呢?研究人员发现,在兽脚类恐龙身上,发生了一个奇妙的进化过程——幼年延续。

幼态延续是物种保留婴儿期甚至胎儿期特征到成年的现象。比如人类就是典型的幼小动物。人类新生儿体毛稀疏,脑袋大,大脑学习能力强。这是一个年轻的州。当他们成年后,这些特征仍然存在,大脑的学习能力在他们的一生中都非常强。

发现兽脚类恐龙也有幼年延续。他们出生后,没有怎么长大。随着时间的推移,兽脚类恐龙的面部和骨骼正在萎缩变小,腿骨也变得细长,但眼睛和大脑一直在发育,开始出现喙。将鸟类化石与恐龙化石进行对比后发现,小恐龙化石的头骨与成年鸟类非常相似,而最早的鸟类几乎与猛禽的胚胎形状相同。正是通过这个过程,兽脚类恐龙保留了幼年时期的小体型,从而成功瘦身,创造了进化奇迹。

细节重塑:鸟嘴的出现

那么,其他的细节,比如鸟类非常重要的器官——鸟喙,是如何出现的呢?

鸟类可以用它们的喙寻找食物、清洁身体、筑巢和照顾幼鸟。鸟类有不同的栖息地,许多鸟类依靠非常特殊的喙生存。因此,鸟类的生存能力不仅源于它们的飞行能力,它们惊人的多功能喙也起着重要作用。

在现代鸟类中,两块上颌骨融合形成一个喙。其结构与恐龙、短吻鳄、古鸟类等脊椎动物完全不同。为了找出这种变化是如何发生的,美国耶鲁大学的研究人员研究了一系列与古代鸟类有关的现有物种:短吻鳄、鸡、老鼠、蜥蜴、乌龟和鸸鹋。

他们发现,与没有喙的生物相比,鸟类有一个与面部形成有关的独特基因簇。随后,研究人员使用化学物质抑制蛋壳中鸡胚内某些基因的蛋白质产物,发现当鸡胚骨骼开始发育时,长出的是短圆形骨骼,而不是鸟类的狭长骨骼。最后胚胎的喙部组织和嘴上方的腭骨恢复到和恐龙一样的状态,一只小鸡长出了恐龙脸。但出于实验道德的考虑,研究人员对鸡胚进行了安乐死,未能使其发育成完整的小鸡。

这一发现再次表明,从恐龙的吻部到喙部的转变并不需要特别的进化飞跃或大规模的基因变化,而只需要负责基因表达的蛋白质的活性有所不同。通过这种方式,物种内部的最小变化也可以驱动宏观进化,使物种进化出新的特征和新的种群。

研究人员推测,可能是因为这一物种内部基因控制模式的轻微变化,恐龙在“瘦身”的过程中慢慢进化出鸟类特征,比如首先进化出两足行走,然后是羽毛、叉骨、更复杂的羽茎,最后是翅膀,最终结果是从恐龙到鸟类的无缝完美过渡。