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科學家擴大了對早期鳥類肢體進化的理解

科學


科學家擴大了對早期鳥類肢體進化的理解


中生代獸腳亞目動物(包括鳥類)前肢和后肢的形態差異 。信用:王敏
據中國科學院：從祖先龐大的恐龍環境中組合出會飛的鳥的身體是進化生物學的一個持久話題 。飛翔的鳥的身體平面圖顯示了身體尺寸的顯著減小和前肢的成比例伸長 。鑒于肢體和身體大小之間的比例關系，對前者的改變很可能被整個身體大小的改變所掩蓋 。
由于個體肢體元素的變化為自然選擇提供了直接基礎 ， 因此它們對于理解從陸棲獸腳亞目恐龍向翼手目恐龍過渡的分支和譜系特異性進化模式至關重要 。然而，很少有研究明確地探索了早期歷史中特有的鳥類肢體結構的進化路徑 。
然而，現在，來自中國科學院古脊椎動物與古人類研究所(IVPP)的古生物學家報告了一項關于獸腳亞目恐龍-鳥類過渡時期肢體大小進化的詳細科學研究 。
這項研究發表在《自然生態與進化》雜志上 。
通過量化形態差異和進化速率，研究人員發現了在鳥類起源附近向低差異的轉變和減速的進化速率 。這與傳統智慧形成了鮮明對比，傳統智慧認為像動力飛行這樣的進化創新會引發并加速進化速度 。這種比較性的統計分析表明，進化速率的降低可能主要歸因于前肢進化的低差異和低速率 。

科學家擴大了對早期鳥類肢體進化的理解


中生代獸腳亞目動物(包括鳥類)前肢和后肢成分的進化速率和速率漂移 。信用:王敏
“我們認為，前肢的進化一直受到動力飛行所需的基本‘藍圖’的限制，因此早期分化的鳥類可以實現的形態空間是有限的，”這項研究的首席和通訊作者王敏博士說 。皇冠類群獲得衍生的飛行相關肌肉骨骼特征可能打破了肢體比例的限制，從而最終導致了現存鳥類前肢的巨大差異 。
根據該研究的共同作者周忠和博士的說法，“我們的分析揭示，在獸腳亞目恐龍歷史上，類似鳥類的肢體比例在前肢比在后肢建立得更早，支持了‘胸部早-骨盆晚’假說 ?！?br>復原的差異模式和附肢進化的速度證明了早期的avialan bauplan是如何被動力飛行驅動的自然選擇深深地塑造的 。
相關：恐龍如何進化到鳥？中國科學家研究發現肢骨演化更慢變化更小
據中新網北京6月5日電 (采訪人員 孫自法）：億萬年前的陸地霸主恐龍如何進化成為展翅藍天的鳥？這無疑是脊椎動物演化史中最為“震撼”的事件，過程中涉及大量骨骼系統、肌肉系統和表皮衍生物等結構的變化，這些變化或是趨同、或是同源作用的結果，但多數都與飛行的起源相關 。
中國科學院古脊椎動物與古人類研究所(中科院古脊椎所)王敏研究員與周忠和研究員最新完成的有關恐龍到鳥類演化過程研究發現，在其形態多樣性和演化速率的深時變化方面 ， 肢骨演化更慢，變化更小 。
這一“恐龍到鳥”研究的重要成果論文，北京時間6月5日夜間在施普林格·自然旗下專業學術期刊《自然-生態與進化》(Nature Ecology& Evolution)上線發表 。
論文第一作者和通訊作者王敏介紹說，“恐龍到鳥”演化過程中最為顯著的就是以肢骨長度所代表的體型改變，例如從整體趨勢看，在演化樹上和鳥類關系更近的獸腳類恐龍有著相對更長的前肢 。因此，系統地量化分析肢骨在鳥類起源過程中的動態演化軌跡，是認識“陸地奔跑的恐龍”成為“飛上藍天的恐龍(鳥類)”這一重要轉變的關鍵 。
本項研究通過構建包含大量獸腳類恐龍和中生代鳥類肢骨的形態演化空間，以及量化鳥類、非鳥類副鳥類和非副鳥類獸腳類恐龍這三個類群的肢骨多樣性，發現早期鳥類肢骨的整體多樣性最低，非副鳥類獸腳類恐龍最高，類似的差異也反映在前肢上 。不過，當研究對象聚焦于后肢時，差異就不明顯 。
研究人員又對包括鳥類在內的中生代獸腳類恐龍肢骨的演化速率進行估算，結果顯示前后肢整體的演化速率在接近鳥類的起源節點時變慢，同樣的趨勢在前肢中也出現，但是在后肢的演化中卻沒有類似的變慢趨勢 。這說明演化速率在原始鳥類中的放緩，仍然是前肢作用的結果 。
此次研究還對兩個形態功能指標進行了量化分析，分別是反映飛行方式的臂指數和反映地棲能力的腳指數，仍然發現這兩個指數在鳥類中都是最低的 ， 演化速率在鳥類中也是相對更慢 。
“上述研究的發現與演化生物學的常識大相徑庭 ?！蓖趺糁赋?nbsp;， 因為當某一種具有“演化革新”意味的特征(如上、下頜)或者形態功能(如飛行、咀嚼)在某一類群中出現時，通常認為該類群的演化速率會變快、多樣性也會增加，因為這些“革新”會幫助生物進入新的生態位 。對于這一現象，本項研究認為早期鳥類在肢骨形態上多樣性的貧瘠，以及演化速率的降低 ， 主要受前肢“拖累”，這是因為在飛行的選擇作用下，原始鳥類的前肢只能夠在適合空氣動力學作用的框架下發生有限變化 。換句話說，原始鳥類具有的“骨骼系統藍圖”在一些非鳥類獸腳類恐龍中就已經出現了 。
王敏表示 ， 隨著許多和飛行相關的進步特征，包括和飛行精細動作完成相關的肌肉、韌帶、骨骼的關節方式等在演化后期出現，前肢的變化才能突破“瓶頸”，最終演化出現代鳥類所呈現的形態多樣的前肢結構 。
他透露，本項研究還為學界此前提出的、在鳥類演化伊始“肩帶演化在前 ， 腰帶在后”這一假說提供了量化數據的支持 。
相關：從恐龍到鳥，為何演化變慢？
據中國科學報（胡珉琦）：生命演化史上有一些重要的節點事件，比如頜的出現，魚類登上陸地，爬行動物飛上藍天等等 。過去 ， 科學家理所當然地認為，當這類具有“演化革新”意味的特征或者形態功能在某一類群中剛剛出現時，該類群的演化速率會變快 ， 多樣性也會增加 。原因是，這些“革新”能夠幫助生物快速進入新的生態位 。
中國科學院古脊椎動物與古人類研究所研究員王敏一直從事早期鳥類演化研究，然而根據他所觀察到的中生代鳥類化石標本卻顯示，剛飛上藍天的早期鳥類的多樣性似乎并不高 。于是，他對演化生物學的這個“常識”重新進行了求證，而結果也確實與先前的認知大相徑庭 。6月5日，相關研究成果發表在了《自然—生態與進化》 。
恐龍到鳥是脊椎動物演化史上最為震撼的事件之一，這一過程涉及了大量骨骼系統、肌肉系統和表皮衍生物等結構的變化，而這些變化多數都與飛行的起源相關 。
“其中最關鍵的變化，就是以肢骨長度所代表的體型改變 。”王敏介紹說，比如 ， 從整體趨勢看，在演化譜系中，和鳥類關系更近的獸腳類恐龍有著相對更長的前肢 。
按照過去的猜想，早期鳥類的肢骨演化速率會比較快，整體多樣性也應該比較高 ?？墒?，研究人員系統比較了鳥類、非鳥類副鳥類、和非副鳥類獸腳類恐龍這三個類群的肢骨多樣性，發現早期鳥類肢骨的整體多樣性竟然是最低的，而非副鳥類獸腳類恐龍是最高的 ， 這種差異主要反映在前肢上 。
研究人員又對包括鳥類在內的中生代獸腳類恐龍肢骨的演化速率進行了計算，結果也出現了相似的規律 。前后肢整體的演化速率在接近鳥類的起源節點時反而是變慢了，而這種趨勢在前肢上表現的最為明顯 。
如何解釋早期鳥類在肢骨形態上多樣性的貧瘠 ， 以及演化速率的降低？
王敏認為，這一現象主要是受到鳥類前肢的“拖累” ?！霸谠缙邙B類演化中 ， 飛行具有很強的自然選擇作用 。因此，原始鳥類的前肢只能夠在適合空氣動力學作用的框架下發生有限的變化 ?！?br>“隨著許多和飛行相關的進步特征 ， 例如和飛行精細動作完成相關的肌肉、韌帶、骨骼的關節方式等在演化后期的出現，鳥類前肢的變化才能突破‘瓶頸’，最終演化出現代鳥類所呈現的形態多樣的前肢結構 ?！?br>王敏舉例 ， 后期有一些高度特化的鳥類 ， 比如魚鳥和黃昏鳥，它們能夠在海洋中進行“潛水”飛行，而這種獨特的生活方式 ， 跟它們細微的肌肉、韌帶、骨骼的關節方式的演化密切相關，他們比早期鳥類更有能力突破肢骨帶來的限制 。
“當生物在獲得了某種重要的特征、功能時，會對整個物種的發展產生巨大的促進作用 。但這項研究告訴我們，我們還需要精細地區分，這種促進作用在不同的演化時間階段所產生的影響是不同的 ?！蓖趺舯硎?。
相關：從恐龍到鳥演化為何變慢
據中國科學報（采訪人員 胡珉琦）生命演化史上有一些重要的節點事件 ， 比如頜出現、魚類登上陸地、爬行動物飛上藍天等 。過去，科學家理所當然地認為，當這類具有“演化革新”意味的特征或者形態功能在某一類群中剛剛出現時，該類群的演化速率會變快，多樣性也會增加 。原因是這些“革新”能夠幫助生物快速進入新的生態位 。
中國科學院古脊椎動物與古人類研究所研究員王敏一直從事早期鳥類演化研究，然而根據他所觀察到的中生代鳥類化石標本 ， 剛飛上藍天的早期鳥類的多樣性似乎并不高 。于是，他對演化生物學的這個“常識”重新進行了求證 ， 而結果也確實與先前的認知大相徑庭 。相關研究6月5日發表于《自然-生態與進化》 。
恐龍到鳥是脊椎動物演化史上最為震撼的事件之一，這一過程涉及大量骨骼系統、肌肉系統和表皮衍生物等結構的變化 。“其中最關鍵的變化，就是以肢骨長度為代表的體形改變 ?！蓖趺艚榻B說 ， 比如，從整體趨勢看 ， 在演化譜系中和鳥類關系更近的獸腳類恐龍有著相對更長的前肢 。
按照過去的猜想，早期鳥類的肢骨演化速率會比較快 ， 整體多樣性也應該比較高 。可是，研究人員系統比較了鳥類、非鳥類副鳥類及非副鳥類獸腳類恐龍這3個類群的肢骨多樣性，發現早期鳥類肢骨的整體多樣性竟然是最低的，而非副鳥類獸腳類恐龍是最高的，這種差異主要反映在前肢上 。
研究人員又對包括鳥類在內的中生代獸腳類恐龍肢骨的演化速率進行了計算 ， 發現了相似規律 。前后肢整體的演化速率在接近鳥類起源節點時變慢了，而這種趨勢在前肢上表現最為明顯 。
如何解釋早期鳥類在肢骨形態上多樣性的貧瘠，以及演化速率的降低？王敏認為，這一現象主要受到鳥類前肢的“拖累” ?！霸谠缙邙B類演化中，飛行具有很強的自然選擇作用 。因此，原始鳥類的前肢只能夠在適合空氣動力學作用的框架下發生有限的變化 。隨著許多和飛行相關的進步特征的出現，鳥類前肢的變化才能突破‘瓶頸’，最終演化出現代鳥類所呈現的形態多樣的前肢結構 ?！?br>“當生物在獲得了某種重要特征、功能時，會對整個物種發展產生巨大的促進作用 。但這項研究告訴我們，還需要精細區分 ， 因為這種促進作用在不同演化時期所產生的影響不同 ?！蓖趺舯硎?。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41559-023-02091-z