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2億年來，一條秘密的數學規則塑造了鳥類和其他恐龍的喙

鳥類


2億年來，一條秘密的數學規則塑造了鳥類和其他恐龍的喙


2億年來，一條秘密的數學規則塑造了鳥類和其他恐龍的喙 。圖片來源：Garland 等人 ， iScience 2025
據《對話》（作者：凱瑟琳·加蘭德和阿利斯泰爾·埃文斯）：鳥的喙幾乎有各種形狀和大小——從蜂鳥的稻草狀喙到鷹的刀狀喙 。
然而 ， 我們發現，這種令人難以置信的多樣性是由一個隱藏的數學規則支撐的，該規則支配著幾乎所有現存鳥類喙的生長和形狀 。
更重要的是，這條規則甚至描述了鳥類祖先恐龍的喙形 。我們很高興與大家分享我們的發現，該發現現已發表在《iScience》雜志上 。
通過根據這一數學規則研究喙 ， 我們可以了解鳥類和其他恐龍的臉是如何在2億年的時間里進化的 。我們還可以找出為什么在極少數情況下，這些規則會被打破 。
當大自然遵循規則
在生物學中找到普遍規則是罕見且困難的——似乎很少有物理定律在所有生物體中如此普遍的情況 。
但當我們找到一條規則時，這是一種解釋我們在自然界中看到的模式的有力方法 。我們的團隊之前發現了一條新的生物學規則，可以解釋許多尖結構的形狀和生長，包括牙齒、角、蹄、殼，當然還有喙 。
這個簡單的數學規則捕捉到了尖端結構（如喙）的寬度如何從尖端擴展到底部 。我們稱此規則為“權力級聯”
在這一發現之后 ， 我們對功率級聯如何解釋鳥類和其他恐龍喙的形狀非常感興趣 。
恐龍不止一次有喙
大多數恐龍，如霸王龍，都有一個強壯的鼻子和尖齒 。但有些恐龍（比如像鴯鹋一樣的恐龍Ornithomimus edmontonicus）根本沒有牙齒，而是有喙 。
在霸王龍所屬的獸腳類恐龍中 ， 喙至少進化了六次 。每一次，牙齒都會在數百萬年的時間里消失，鼻子會伸展成喙狀 。
但這些無可挑剔的恐龍群中只有一個在6600萬年前的大滅絕事件中幸存下來 。這些幸存者最終成為了我們現代的鳥類 。
早起的鳥兒遵守規則
為了研究生長的功率級聯規律，我們研究了127種獸腳類恐龍 。我們發現95%的獸腳類恐龍的喙和鼻子都遵循這一規則 。
通過計算機建模使用最先進的進化分析，我們證明了祖先獸腳類恐龍最有可能有一個遵循功率級聯規則的齒狀鼻子 。
令人興奮的是，這表明功率級聯不僅描述了獸腳類恐龍喙和鼻子的生長，還可能描述了所有脊椎動物（哺乳動物、爬行動物和魚類）的鼻子的生長 。
規則的追隨者和破壞者
在大滅絕中幸存下來后，鳥類經歷了一段令人難以置信的變化 。鳥類現在生活在世界各地，它們的喙以非常特殊的方式適應每個地方 。
我們看到喙的形狀可以用來吃水果、捕捉昆蟲、刺穿和撕裂肉 ， 甚至吮吸花蜜 。大多數人遵循權力級聯增長規律 。
雖然很罕見，但我們研究的一些鳥類是違反規則的 。歐亞琵鷺就是這樣一個打破規則的物種，其高度特化的喙形有助于它在泥土中過濾以捕獲水生生物 。也許它獨特的喂養方式導致它打破了這一普遍規則 。
我們對像琵鷺這樣的違規者一點也不感到沮喪 。相反，這進一步突顯了能量級聯的真正信息量 。大多數鳥的喙都是按照我們的規則生長的，這些喙可以滿足大多數喂養方式 。
但偶爾 ， 像琵鷺這樣的怪人會打破功率級聯生長規則 ， 抓住它們特殊的“蟲子” 。
現在我們知道大多數鳥類和恐龍的喙都遵循功率級聯 ， 我們研究的下一個重要步驟是研究鳥喙是如何從幼鳥成長為成蟲的 。
如果功率級聯真的是鳥喙的基本生長規律，我們可能會發現它隱藏在生命樹的許多其他形式中 。