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化石蛋殼的DNA揭示了滅絕的象鳥是如何生活的

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化石蛋殼的DNA揭示了滅絕的象鳥是如何生活的


化石蛋殼的DNA揭示了滅絕的象鳥是如何生活的Credit: Gifford Miller, Author provided
據美國物理學家組織網（by Alicia Grealy, The Conversation）：數百年來，馬達加斯加滅絕的象鳥——有史以來最大的鳥類——引起了公眾的興趣 。由于骨骼化石記錄中的巨大空白，對它們知之甚少 。
今天發表在《自然通訊》上的一項新研究使用從化石蛋殼中提取的古老分子揭示了對這些不會飛的巨人生物學的驚人新見解 。有多少物種？他們住在哪里？他們吃了什么？
這些問題的答案有助于我們理解物種的起源和消失，這在全球生物多樣性持續快速下降的今天尤為重要 。
驚人的大鳥
作為生物多樣性熱點，島國馬達加斯加是研究進化和滅絕的天然試管 。曾經在那里游蕩的眾多現已滅絕的巨型動物物種在加深我們對這些過程的理解方面發揮了關鍵作用 。
象鳥就是這樣的一個群體，自從150多年前首次被描述以來，關于它們的珍貴資料已經所剩無幾 。
與非洲的鴕鳥、澳大利亞的鴯鹋和食火雞、南美的美洲鴕、新西蘭的恐鳥和幾維鳥一樣 ， 馬達加斯加的象鳥(馬達加斯加語中稱為vorompatra)是大型的不會飛的平胸鳥 。它們大約在1000年前滅絕，就在人類首次定居馬達加斯加后不久 。
這些是真正巨大的鳥類，有些重達700多公斤，高達3米 。他們的蛋重10公斤，是雞蛋的150倍 。
數百年來 ， 象鳥(Aepyornithiformes)一直是傳說的素材 ， 早期的發現可能是神話生物roc(或rukh)的起源，并啟發了H. G. Wells等作家 。英國博物學家大衛·愛登堡也對象鳥特別感興趣，他記錄了自己在阿滕伯勒尋找象鳥蛋和巨蛋答案的旅程 。
近年來，象鳥被發現與雞大小的幾維鳥親緣關系最近——這一結果改變了我們對鳥類進化的看法 。

化石蛋殼的DNA揭示了滅絕的象鳥是如何生活的


圖利亞拉(馬達加斯加西南部)市場上，一枚由碎片重建的象鳥蛋(Aepyornis maximus) 。在生活中，一些種類的象鳥產下重達10公斤的蛋——約150個雞蛋的體積 ， 比恐龍蛋還大 。Credit: Gifford Miller
不完整的記錄
然而，關于象鳥到底有多少種仍然存在爭議 。有一段時間，16個物種根據骨骼化石之間的差異被命名 。在20世紀60年代，這一數字下降到了7個物種 ， 而最新的修訂版將象鳥分為4個物種 。但是為什么會有爭議呢？
盡管這些鳥類滅絕的時間相對較近，但穿越時間和空間的骨骼化石記錄卻并不完整 。馬達加斯加的氣候非常炎熱潮濕，不利于保存生物材料 。
當骨頭不完整或支離破碎時，很難區分不同的物種——有時，骨頭根本不會保存下來，就像在馬達加斯加的最北部 ， 有報道說那里有蛋殼但沒有骨頭 。
現代DNA技術可以幫助克服這一障礙 。類似地，我們可以通過比較DNA來識別人或判斷他們之間的關系，來自化石的古代DNA可以幫助識別未知標本或揭示物種內部和物種之間的關系 。
兩種生物的DNA差異越大，它們的親緣關系就越遠 。這些差異可以用來估計物種何時進化 ， 這提供了關于如何和為什么進化的線索 。但是，就像象鳥骨骼本身一樣，它們內部的DNA也沒有得到很好的保存 。
厚而豐富的蛋殼
這就是蛋殼的用處 。與其他鳥類相比 ， 象鳥蛋殼非常厚，因此被困在里面的DNA得到了更好的保護 。蛋殼也比骨頭豐富得多 ， 碎片密集地散布在馬達加斯加海岸線的海灘上 ， 這些鳥可能曾經在那里筑巢 。

化石蛋殼的DNA揭示了滅絕的象鳥是如何生活的


藝術家對象鳥在其自然棲息地的印象 。Credit: Bonnie Koopmans, Author provided
除了保存DNA和蛋白質之外，蛋殼還保存了“穩定同位素”簽名，可以與環境中的植物和動物進行匹配，以了解鳥類的飲食 。
蛋殼的物理特性(如厚度和孔隙密度)也可以揭示有關蛋的大小、鳥的大小、筑巢環境、筑巢行為的信息，有時還可以用來區分鳥群 。
在馬達加斯加當地人的幫助和支持下，我們的團隊從馬達加斯加各地收集了數百枚1000年前的蛋殼化石 。我們觀察了它們的厚度、微觀結構(通過顯微CT掃描)、DNA和蛋白質以及它們的穩定同位素 。我們篩選了數百個蛋殼碎片，找到了21個具有足夠DNA的碎片，利用已知身份的蛋殼和骨骼標本重建了一個家譜 。
神秘的血統
我們發現象鳥的種類并不像之前認為的那么多——標本之間的基因差異很小 。我們認為在骨骼化石中看到的一些大小和形狀的差異只是雄性和雌性之間的差異，而不是物種之間的差異 。在平胸類動物中 ， 雌性比雄性大得多是很常見的，而且會被誤認為是不同的物種 。
但更令人驚訝的是，我們發現了一個來自馬達加斯加最北部的神秘蛋殼，它屬于一個新的大型象鳥家族，重230公斤，產3公斤蛋 。雖然這些鳥與馬達加斯加中部的象鳥有密切的關系 ， 但它們在基因上是不同的，飲食也不同 。它們也相距約1000公里 ， 海拔1.5公里 。
這證明象鳥生活在馬達加斯加的最北部，那里從未發現過骨骼，這一結果讓人想起通過對未知化石的DNA分析發現的新的原始人類 。
這些并不是唯一出乎意料的發現:我們還發現了象鳥物種形成(新物種的形成)和極端巨人癥的潛在驅動因素 。隨著馬達加斯加在上一個冰河時期變得越來越干燥和涼爽 ， 植被發生了變化，象鳥可能已經適應了新的生態位 。這導致了最大的物種在最近的時間框架內快速進化——在過去的140萬年內，這只是它們進化史的一小部分 。
這些發現證明了來自蛋殼的古老DNA是研究滅絕鳥類進化的一個有希望的途徑 。它有助于我們了解馬達加斯加過去的生物多樣性——這是了解如何在未來保護其獨特物種的重要一步 。