鸟怎么得到他们的喙

当鸟儿抓住它们的翅膀时,它们失去了被恐龙亲属挥舞的爪子。 但是他们在脸上演变成了一个新的“手指”。 这真是一个福音。 各种形状和大小的敏捷喙,从鹈鹕的大口角到蜂鸟的针鼻,使10,000种鸟类从北极到热带地区茁壮成长,建造错综复杂的巢穴,并吃掉许多不同的食物。

现在,研究人员可能已经确定了将祖先的鼻子变成鸟的法案的基因。 通过操纵基因的蛋白质,他们似乎已经转变了进化时钟,在开发类似于今天鳄鱼的鸡胚中产生了鼻子。 “我们试图通过发展研究解释进化,”哈佛大学进化发育生物学家Arhat Abzhanov说道,他和同事一起描述了本周在Evolution中的工作。

他们的结论与早期的研究不一致。 但即使是那些不同意结果的人也说Abzhanov和他的学生Bhart-Anjan Bhullar,现在是芝加哥大学的博士后研究员,已经展示了一种强有力的新方法:固定解剖学如何使用化石改变,然后试图重述这些变化在实验室中通过修补遗传信号。 “这篇论文的价值在于它们将古生物学与进化发育生物学相结合的能力,”加州大学旧金山分校(UCSF)的理查德施耐德说,他将喙进化与不同的基因联系起来。

为了确定鸟类祖先面临的变化,Bhullar检查了恐龙化石,鸟类,短吻鳄和其他爬行动物的头骨,拍摄了数百张不同角度的照片。 计算机将这些图像编译成3D扫描并进行比较。 这项称为几何形态测量学的技术精确地确定了动物之间骨骼大小,形状和配置的差异。

在祖先的爬行动物中,一对小骨头构成了鼻子的尖端。 在今天的鸟类中,那些前颌骨长,窄,融合,Abzhanov解释说,产生“一个大的骨头来控制面部” - 上面的法案。古代鸟类始祖鸟揭示了一个中间步骤。它的前颌骨不是非常扩大,但在后来的鸟类物种中,骨骼逐渐融合。其他工作也暗示了喙前进的前颌骨。

因此,Bhullar寻找早期关于控制这些骨骼发育的遗传途径的研究。 小鼠和鸡的工作涉及两组信号。 一种名为成纤维细胞生长因子8( Fgf8 )的基因在3日龄鸡胚中成形,在面部前部变得活跃; 之后,就在骨骼形成之前,一种叫做WNT的基因有助于驱动面部中间细胞的增殖,在那里它可以促进前颌骨的扩张。 相比之下,在哺乳动物,蜥蜴,海龟和短吻鳄中, WNT基因的活性在胚胎面部最高。

为了探索这些基因的作用,Bhullar和Abzhanov用鸟类胚胎处理了WNT和Fgf8蛋白的抑制剂。 当这两个信号得到最大程度的抑制时,前颌骨变成了圆形并且从未融合,就像鸟类的恐龙亲属一样,而不是长而尖的。

令人惊讶的是,构成口腔顶部的腭骨也发生了巨大变化。 在许多脊椎动物中,这种骨骼是扁平的并与周围的骨骼融合。 但是在鸟类中,它会减少并断开连接,从而使法案的顶部向上移动,从而扩大鸟类的视线。 在处理过的鸡胚中,腭看起来更像是在其他脊椎动物中:平坦且看似重新连接到颌骨。 Abzhanov说,这些研究表明, Fgf8WNT信号的变化使得古代鸟类的头骨“能够在一个全新的方向上进化”并形成一个喙。

不是每个人都同意。 2014年,加州大学旧金山分校的Nathan Young和Ralph Marcucio与Schneider合作,对各种胚胎脊椎动物进行了大量的头骨测量,并确定了鸟类在开发过程中与其他脊椎动物发生分歧的关键点。 这项工作和后来的实验支持了Marcucio提出的2009年的观点,即另一个基因SHH(称为声波刺猬)的活动对于形成喙是至关重要的。 他说,与Fgf8不同,它在鸟类胚胎的正确位置和正确时间都很活跃。

发展生物学家Marcucio也担心哈佛团队观察到的面部结构变化可能源于他们使用的抑制剂导致的意外细胞死亡。 “将化石记录添加到这项工作中确实是一个重要步骤,但我认为他们只是在寻找错误的途径,”他说。 Abzhanov和Bhullar反驳说, Fgf8SHH经常共表达,可以一起工作; 他们也看到没有过多的细胞死亡。

中立方预测这种对鸟喙的对峙不会很快得到解决。 纽约美国自然历史博物馆的进化生物学家Joel Cracraft说:“毫无疑问,这些途径中涉及更多基因,这些基因需要整理出来。”

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