鳥類骨骼癒合演化或反映發育可塑性

 

10月9日，中國科學院古脊椎動物與古人類研究所王敏、李志恆與周忠和關於早期鳥類腕掌骨和腰帶骨骼癒合的研究，發表在《美國科學院院刊》上，研究提出作用於骨骼癒合的發育過程在鳥類演化早期是多效性的，在鳥類演化後期，發育過程或受到飛行的選擇限制而失去多效性，可能反映了發育可塑性。

相比於其它脊椎動物，鳥類骨骼系統最大的特點是骨骼癒合程度高，以適應飛行需要。最明顯的是，手部的遠端腕骨和三個掌骨癒合而成腕掌骨，腰帶的髂骨、恥骨和坐骨圍繞著髖臼癒合在一起。這些骨骼在爬行類，特別是鳥類的恐龍近親中很少發生癒合，但亦有例外，如阿瓦拉慈龍類的Mononykus具有癒合的腕掌骨，馳龍類的Balaur具有癒合的腕掌骨和腰帶。由於缺少過渡環節的化石，以及對現生鳥類骨骼癒合過程研究較少，骨骼癒合在鳥類演化歷史中是如何發生的尚不清楚。

研究人員發現了一件距今約1.2億年的早白堊世反鳥類化石，保存了完全癒合的腕掌骨和腰帶，這是目前已知最早的同時具有癒合的腕掌骨和腰帶的鳥類。科研人員以此為契機討論了上述骨骼在副鳥類中的癒合程度，以及主要的轉變階段（副鳥類Paraves，是指包括所有鳥類，不包括竊蛋龍類的最廣義類群，其中包括鳥類、擅攀鳥龍類、傷齒龍類和馳龍類）。通過對祖先節點特徵的恢復，研究人員認為，腕掌骨和腰帶的癒合是在少數非鳥類獸腳類恐龍、反鳥類和今鳥型類中獨立發生的。在早白堊世鳥類中，小翼掌骨和大掌骨很少發生癒合，嚴格意義上的腕掌骨並不發育。腰帶的三塊骨骼癒合也很少在這一時期的鳥類出現。晚白堊世鳥類具有完全癒合的腕掌骨和腰帶，顯示了特殊的演化過程，卻未受到關注。

在達爾文模式演化中，一種表型特徵的出現很少是遞進式，因為作用於該表型特徵的發育過程在最初是多效性的，使該表型特徵具有多種狀態。腕掌骨和腰帶癒合在副鳥類中的「不穩定」出現，說明作用於骨骼癒合的發育過程在鳥類演化之初是多效性的——癒合、不癒合、不完全癒合在個別非鳥類獸腳類恐龍和早期鳥類中均有出現。這些骨骼癒合在晚白堊世鳥類中毫無例外的出現，表明它的發育過程在鳥類演化後期受到「限制」，失去了多效性，骨骼癒合被「固定」在鳥類演化中。是什麼樣的機製造成發育過程多效性的失去，從而有利於腕掌骨和腰帶癒合的出現？研究人員提出兩種可能的解釋。一種是基因或調控作用發生變異，導致癒合的腕掌骨和腰帶在鳥類演化伊始的出現。另一種則可能與飛行的作用有關。癒合的腕掌骨能夠為飛羽的提供穩定的附著點，而癒合的腰帶能夠更好發揮承重以及負擔後肢肌肉的作用。上述骨骼在少數早白堊世鳥類的出現是飛行結構優化的體現，反映了不同環境（運動方式由陸地奔走變成飛行）作用下的發育可塑性（不癒合變為癒合）。兩種假說需要發現更多的化石，並結合發育生物學的研究進行論證。

該研究得到了國家自然科學基金委員會基礎科學中心項目「克拉通破壞與陸地生物演化」的資助。(生物谷Bioon.com）