立場新聞 Stand News

恐龍如何變成雀鳥?

2015/6/23 — 9:00

始祖鳥柏林標本
Denise Chan / flickr

始祖鳥柏林標本
Denise Chan / flickr

《侏儸紀世界》的上映,再次興起恐龍熱。曾經是地球霸主的牠們,還有很多謎團困擾著考古學家,其中一樣就是牠們如何變成鳥類。

古生物學家相信現代鳥類是由一群獸腳亞目 (Theropoda) 的雙足恐龍演化而來,當中最著名的獸腳亞目就是暴龍 (T. Rex) 與速龍 (Velociraptors) 。即便如此,當時最似鳥類的獸腳亞目也有 100-500 磅重,對比現代最大的鴕鳥仍是相當巨型,而且,牠們的大鼻、牙齒,甚至極小的腦袋——容量只與企鵝相約,都與鳥類有一段差距。

自 19 世紀首次出土,始祖鳥 (Archaeopteryx) 因同時有著恐龍與鳥類的特徵,曾被認為是最原始的鳥類。牠們的祖先在 1000 萬年內,發展出羽毛、雙翼以及學懂飛行等現代雀鳥的特徵,在演化史上算是非常快。

廣告

帶來希望的怪物

為了解釋這種重大且奇蹟般的演化,德國基因學家 Richard Goldschmidt 提出「帶來希望的怪物 (hopeful monster) 」假說。他認為,要短時間內出現演化巨變,物種基因就必須有大幅度的轉變。這樣才能解釋到為何 300 磅的恐龍能演化成身輕如燕的伊比利亞鳥 (Iberomesornis)

不過,隨著 90 年代,中國發現多個約有 1.24 億年的孔子鳥 (Confuciusornis) 化石,補充了鳥類演化的空白期,顯示出恐龍要演化成鳥類,只要很微少的改變。畢竟,由雙足步行的巨型暴龍演變成有叉骨 (wishbone) 和翼的鳥類並非一朝一夕,過程相對來說是無跡可尋。

廣告

更多的考據亦指,早在鳥類出現前恐龍已演化出羽毛,鳥類只是「利用」已有的生物特徵,將之發展出新的用途1 。另一方面,幼態延續 (paedomorphosis) 也能讓鳥類祖先保留有利的特徵,如較似嬰孩的頭身比例以及尖喙,並將之加以發展,成為會飛的鳥類2 。

Credit: Brusatte, S.L. & et al

Credit: Brusatte, S.L. & et al

2014 年的研究3 就顯示,當鳥類祖先集合了相關的特徵於一身時,演化的進程猶如大爆炸一樣,飛速進行,並不如 Richard Goldschmidt 所說「一連串的演化製造鳥類」,而是各種「鳥類」的出現造成大規模演化。該研究的作者更認為,鳥類的身體結構在當時是相當有利,並發展出新的生態。

細小的好處

對比起羽毛和翅膀,很多人都忽略了另一個很重要的鳥類特徵——體型小。而這個特徵亦被証實是短時間演化而來的,比之前所預計的時間早 2 億年。

不過,在鳥類祖先縮小的同時,其他恐龍卻一直在變大;前者縮小的速度比其他恐龍快 160 倍,顯然身型縮小讓近鳥類 (paraves) 走向演化更成功的一方。「有毛有翼」加上縮小的身型,近鳥這支特殊的恐龍血統開始嘗試滑翔,大樹在這時成為牠們的居所,近鳥也以此為食。不過牠們要達到相當的翼重比例,才能真正翱翔天際。

雀鳥的娃娃臉

2008 年哈佛學者 Arkhat Abzhanov 在無意間發現兩件事:

  1. 短吻鱷的頭顱極似鳥類,其胚胎也似雞
  2. 幼年恐龍的頭顱化石跟成年的雀鳥無疑

這都令到他想分析恐龍在演化為鳥類時的頭顱變化,並開始搜集包括始祖鳥與恐龍蛋化石的數據。

他的團隊發現4 ,隨著時間,鳥類祖先的臉變得愈來愈扁,眼、腦、咀則逐漸發達。最早的鳥類的頭顱幾乎與速龍胚胎晚期的一樣,而現代鳥類則更像胚胎,成長後基本上與胚胎無疑。

這種過程就是前文所說的幼態延續 (paedomorphosis) ,對鳥類演化非常重要,有可能是鳥類祖先體型變細的原因。由於體型改變與成長後的模樣掛勾,更小巧的體型會阻礙鳥類成長至原本的成熟型態。試以人類為例,初生嬰兒的頭身比例比成人大,而幼態延續的頭身比例,除了幫助鳥類發展更大的腦部,更可騰出更多頭顱的空間,演化出喙的構造。

喙的誕生

喙是雀鳥捕食與清潔羽毛的工具,有如身在頭上的手指,而牠們的喙都因取食的差異而型態有所不同——這亦啟發到達爾文提出演化論。不過,喙是如何演化出來?

現代鳥類的喙由兩塊前頜骨融合而成,與恐龍、鳥類祖先、短吻鱷,甚至絕大部份的脊椎動物明顯有別。

Abzhanov 的團隊上個月就發表報告5 ,找到特定基因,將之關閉就可將雞的喙打回原型,變得有如恐龍的鼻子。這同時否定了 Richard Goldschmidt 的假說:基因調控上的小改變,在外觀與結構上可出現極大的分別。鳥類祖先要演化出喙需要較長時間,但鳥喙在型態上有不同變化,只需幾代就可以,當中不需重大的基因突破。

雖然,現時我們以跨學界的方式了解哪種結構或基因轉變觸發大規模演化。然而,最大的問題是我們無法從化石知道各種演化的確實日期,要真正知道史前的恐龍如何變成鳥,或許還需要多點時間。現在唯有看住《侏儸紀世界》過吓癮。

報告:

  1. Brusatte, S.L., Lloyd, G.T., Wang, S.C. & Norell, M.A. (2014). Gradual Assembly of Avian Body Plan Culminated in Rapid Rates of Evolution across the Dinosaur-Bird Transition. Current Biology 24(20), 2386-2392. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2014.08.034
  2. Li, Q., Li, Q.G., Clarke, J.A. & et al. (2014). Melanosome evolution indicates a key physiological shift within feathered dinosaurs. Nature 507, 350–353, doi:10.1038/nature12973
  3. Lee, M.S.Y., Cau, A., Naish, D. & Dyke, G.J. (2014). Sustained miniaturization and anatomical innovation in the dinosaurian ancestors of birds. Science 345(6196), 562-566. DOI: 10.1126/science.1252243
  4. Abzhanov, A., Norell, M.A., Rowe, T.B. & et al. (2012). Birds have paedomorphic dinosaur skulls. Nature 487, 223-226. doi:10.1038/nature11146
  5. Abzhanov, A., Morris, Z.S., Namkoong, B. & et al. (2015). A molecular mechanism for the origin of a key evolutionary innovation, the bird beak and palate, revealed by an integrative approach to major transitions in vertebrate history. Evolution. DOI: 10.1111/evo.12684

 

發表意見