鸟类为什么能够躲过那场大灾难而没有灭绝?

世间万物都存在着相生相息的关系。动物与动物之间,动物与植物之间都存在着你强我弱的各种关系。从最远古的行星撞击地球到现在的自然环境污染。这一系列的自然缺损。导致了许多物种的灭绝。毋庸置疑,许多物种在演化史上都具有它相对的优势。这些优势或许将使他们躲过灾难而免遭灭绝的命运。6500万年前,一颗小行星对于地球的撞击,使地球上约17%的科、50%的属、75%的物种突然消失了,此前在地球上占统治性地位的恐龙、翼龙以及其他爬行类无法适应气候的变化纷纷死去,空出了诸多可用的生态位——对于在这次大灾难中幸存下来的鸟类而言,这无疑是一个前所未有的好机会。事实上鸟类确实通过改变自己的形态,迅速填补了这些生态位,因此也就出现了演化史中的这壮观一幕。那么鸟类是如何躲过六千五百万年前的大灭绝事件的,这一直是科学家们研究的问题。在这一食物链崩溃引发的物种灭绝事件中,为何鸟类得以幸存?

有人说,鸟类在结构形成特点就具有很大的优势。鸟类具有其他物种都没有的一项构造就是翅膀,所谓大难来临各自飞。在灾难来临时,鸟类等动物可通过应激性反应的飞翔而躲避灾害。在面临无法躲避的灾害时,可通过闭合翅膀来保护自身机体的而不受严重性的侵害。但是这解释不了为什么同样具有翅膀的翼龙却在大灾难中灭绝了呢。

众所周知,鸟类起源于1.65~1.5亿年前的侏罗纪时期,是兽脚类恐龙的后代,至今仍有超过10000个现生种广布全球。人们也许会好奇,同样是经历了小行星撞击,凭什么恐龙和翼龙灭绝消失,鸟类反而繁衍昌盛了呢?有科学家的认为是实际上这是一个误解,人们往往忽略了这样一个事实,就是白垩纪末期的大灭绝造成了大部分鸟类的绝种。其中,只有“今鸟类”(Neornithes)这一类群熬过了生物大灭绝事件。那么,今鸟类为何能一枝独秀地幸存下来?学者们有各种推测,这其中包括了快速生长素率假说、高代谢率假说。还有研究认为,这要归因于今鸟类拥有更强大的肌肉骨骼系统,以及它们的喙部更适合吃种子。而Current Biology杂志最新的封面文章则指出:地栖生活也许才是这些鸟类躲过灭绝的真正原因。

虽然现今的鸟类绝大部分是树栖,但演化系统分析的结果却告诉我们,今鸟类的祖先其实是个地栖的原始类群。人们熟知的鸵鸟,以及既能飞又适应树栖的䳍鸟都是这个原始类群关系最近的后裔。所以说,今鸟类祖先在灾难发生前就已经适应了地面生活。灾难发生后,它们不会因为树林的消失而无处繁衍、觅食,从而得以逃过此劫。而新的化石发现也进一步证明,灾后幸存下来的鸟类只有今鸟类,其后肢的比例、身体结构都是适应地栖生活的。

相比之下,反鸟类(Enantiornithes)本是恐龙时代最为常见的鸟类,但它们却在那场灭绝事件中惨遭淘汰。研究者认为,反鸟类的灭绝可能与树栖的习性密不可分。想要适应树栖的生活,后肢必须有许多形态学的特化。例如,树栖生活要配备善于抓握的长指爪,这会对陆地行走或栖息造成不便。更遑论,长久以来的树栖习性有不少行为学的影响,比如要在树上筑巢、哺育后代等等。研究者指出,反鸟类大多都高度适应树栖生活,然而小行星撞击所带来森林生态系崩坏,导致反鸟类的栖息环境全面消失,最终断绝了这种鸟类存续的活路。

总的来说,孢粉学、现代鸟类演化谱系、鸟类化石等多方面研究结果都显示,灾难后幸存的现代鸟类祖先应该是小型的、能飞的,且最重要是能适应地栖生活的物种。这场浩劫中,今鸟类祖先的地栖习性救了它们一命。而现在窗外那些盘踞树梢,百啭千声的鸟类,则是在森林环境恢复之后,才学会跃上枝头的。

除此之外,在现代科学中,也有研究表示鸟类能在大灭绝中逃离的起关键作用的是鸟类的牙齿。中科院古脊椎所等单位的研究人员,对与鸟类亲缘关系最接近的非鸟类恐龙至古鸟类的牙齿演化特征进行了探讨,揭示鸟类与恐龙之间食性的差异很可能是其幸存至今的关键。相关成果近日发表于《BMC进化生物学》上。

鸟类为什么能够躲过那场大灾难而没有灭绝?

白垩纪早期古鸟类-会鸟的化石标本。收藏于中国科学院古脊椎动物与古人类研究所。(黑色箭头标示牙齿位置)。(李志恒 供图)

研究人员通过同步辐射的高解析穿透式X-光显微镜,对热河生物群以及燕辽生物群伤齿龙、近鸟龙、小盗龙等小型非鸟类恐龙以及包括今鸟类、反鸟类、会鸟、热河鸟在内的古鸟类牙齿的微结构进行对比观察和研究,发现尽管简单的釉质层在早期古鸟类中都有保留,但牙釉质与牙本质之间的多孔罩牙本质层皆已消失。多孔罩牙本质层被认为是肉食性恐龙牙齿中发育的,能够避免其在掠食过程中牙齿断裂的特殊避震保护结构。不仅古鸟类,本次研究的一种小盗龙标本的罩牙本质层也已经消失。科研人员认为,这意味着鸟类与部分亲缘关系相近恐龙的牙齿不再需要特殊的力学保护结构,间接证实了其饮食习惯与肉食性恐龙产生了极大差异,通过食性转换避开了与肉食性恐龙对食物生态位的竞争,进而适应能力极大提高,因此度过了最为艰难的时刻。相较于古鸟类的普遍性植食或杂食化的演进趋势,虽然非鸟类恐龙的少数类群也发生了趋同演化,但仍然难避免灭绝的厄运。

由于鸟类与部分亲缘关系相近恐龙的牙齿不再需要特殊的力学保护结构就造成了在鸟类演化过程中的牙齿的退化与丢失。前不久,古生物学家命名了一种发现于比利时的白垩纪鸟类——马斯特里赫阿斯忒里亚鸟(Asteriornis maastrichtensis)。这种生活在恐龙时代最后时期的鸟类不仅体型小,而且嘴巴之中没有牙齿,它们生活在海滨地带,能够找到各种各样的食物食用,属于杂食性动物。据此研究人员认为,鸟类大约在1亿年以前丢失了牙齿,牙齿的丢失与它适应新的环境和生活方式有关,而且牙齿的丢失同时还可以起到“减肥”功效,配合骨骼的极端轻量化,使得鸟的重心从头部向身体后方、下方转移,从而使飞行更加稳定或者地栖行走更加坚实。

现存的1万多种鸟类毫无例外都没有牙齿,但化石研究发现,生活在约1.5亿年前的始祖鸟是有牙齿的。这意味着,鸟类的牙齿是在演化中逐渐丢失的。一些研究文章中指出,与其他一些有牙的脊椎动物不同,牙釉质、牙本质相关的关键基因在现存鸟类中发生了关键突变,导致现存所有鸟类都没有牙齿。但是正应了那句“上帝为你关上一扇门,必定为你打开一扇窗”,鸟类虽然没有了牙齿,却在演化过程中鸟类进化出了砂囊和喙。发表在《科学》杂志的一篇文章指出,与其它一些有齿类的脊椎动物不同,在现存鸟类中,与牙釉质、牙本质和牙齿的构建块相关的部分基因发生了关键的基因突变。研究表明,在大约1亿多年以前,鸟类共同的祖先在很短的时间内已经失去了5个与牙齿相关的基因的功能,从而导致鸟类没有了牙齿。综合化石和基因组的证据,科学家描绘出了鸟类丢失牙齿的全过程:先是前颌上的牙齿丢失和前颌上喙鞘(嘴上部分先角质化)的产生;然后形成了完全的喙,在此过程中丢失了全部的牙齿。丢失牙齿后的鸟类获得了形态多变的喙,更令鸟类发展出了除取食以外的交流、整理羽毛和温度调控等多种功能。

鸟类为什么能够躲过那场大灾难而没有灭绝?

植食性古鸟类 (左)和小型掠食性恐龙(右)的生态复原场景。与肉食性恐龙同处在一个生态系统下的中生代鸟类,演化出不同的取食习性,例如以种子、果实为主的植食性和以小型昆虫为食的杂食性,避免了直接与肉食性恐龙的食物竞争。(郑秋旸 绘图)

毫无疑问一些基因的丢失对鸟类的演化产生很大的影响,如牙齿相关基因的丢失解释了为何现存所有鸟类都没有牙齿,卵巢发育相关基因的丢失解释了为何鸟类只有单一功能的卵巢。很多鸟类丢失的基因在鸟类中都有着很重要的功能,比如在维持生殖系统、骨骼生成和肺部系统等方面不可或缺,这些关键基因的丢失对于鸟类一些特有表型的形成和发育可能有着举足轻重的影响。研究人员认为这是个非常有趣的发现,因为人们通常认为,演化过程中,新的遗传物质是生物演化出新表型必不可少的条件,但鸟类的演化过程提供了很特殊的证据,说明基因的丢失有时也能引发新的表型的出现。比如在飞行方面,研究者发现鸟类中一半以上的骨化相关基因都受到了强烈的自然选择,这一比例约是哺乳动物的两倍。这些基因主要涉及骨头重塑和骨化过程,这些变化有利于鸟类获得飞行所需要的强壮但轻重量的骨骼。

与昆虫的演化和辐射是渐进的相比,鸟类的演进和辐射则十分突然,在白垩纪晚期,现生鸟类的祖先只有三四支,而短短2000万年后,先生鸟类的主要分支就已经大体形成了。

科学家通过对鸟类的全基因组分析,结果推翻了以前的一些研究结论。此前研究推测现代鸟类的大爆发发生在6600万年前大灭绝事件之前的1000万年至8000万年左右。然而新的分析表明,现代鸟类的爆发应该发生在白垩纪物种大灭绝之后1000—1500万年以内。

基于新的基因组数据,研究人员认为,仅有很少的鸟类因为地栖小型化或者牙齿的退化与消失而与肉食脊椎动物的食物错位而侥幸幸免于大灭绝事件。后来,它们突发性的演化出1万多种新鸟纲物种。预计现存95%的鸟类的祖先均起源于这一时期。研究人员推测大灭绝事件之后原本由恐龙和翼龙所占据的生态位被鸟类所占据,新的生态环境为鸟类新物种形成创造了良好条件,导致它们在不到1500万年的时间快速产生很多新物种,在很大程度上也解释了为何现代鸟类具有如此丰富的多样性。


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