“聰明”的頭腦從何而來(lái)? ——鳥(niǎo)類(lèi)腦體積演化的速度和模式
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作為世界領(lǐng)先的全科學(xué)領(lǐng)域?qū)W術(shù)出版社,細(xì)胞出版社特與“中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)”合作開(kāi)設(shè)“青促會(huì)述評(píng)”專(zhuān)欄,以期增進(jìn)學(xué)術(shù)互動(dòng),促進(jìn)國(guó)際交流。
本期專(zhuān)欄文章,由來(lái)自中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員 李家堂,就Current Biology中的論文發(fā)表述評(píng)。
逐步趨于穩(wěn)定的身體比例演化幫助人類(lèi)在過(guò)去的幾十萬(wàn)年間適應(yīng)了復(fù)雜多變的環(huán)境。當(dāng)然,這不僅僅體現(xiàn)在長(zhǎng)途遷徙、耐力奔跑等運(yùn)動(dòng)能力上,人類(lèi)本身可算作“大頭一族”,其大腦體積與軀體的相對(duì)比例相較其近親物種產(chǎn)生了顯著的增大,這樣的增大有助于人類(lèi)進(jìn)行更為復(fù)雜高級(jí)的行為,進(jìn)而決定了人類(lèi)與動(dòng)物在意識(shí)上的差異[1]。同樣地,對(duì)于其他物種來(lái)說(shuō),大腦-身體演化比例異速差異研究也可以幫助了解其特殊性狀(器官等)發(fā)生的歷史及其重要的意義。
在鳥(niǎo)類(lèi)中,被認(rèn)為相對(duì)較為“聰明”的鸚鵡、烏鴉等都具有“頭大”的性狀。因此,開(kāi)展鳥(niǎo)類(lèi)大腦-身體比例相關(guān)演化研究,可以幫助了解在演化過(guò)程中大腦-身體比例演化異速發(fā)生的原因,為鳥(niǎo)類(lèi)的多種行為(飛行、復(fù)雜社會(huì)行為及認(rèn)知等)做出解釋。在最新一期的Current Biology中,Ksepka所在研究團(tuán)隊(duì),通過(guò)使用并整合超過(guò)2000種包括,現(xiàn)代鳥(niǎo)類(lèi)、化石鳥(niǎo)類(lèi)以及四足恐龍的大腦顱腔模型數(shù)據(jù),對(duì)于鳥(niǎo)類(lèi)這一形態(tài)演化問(wèn)題進(jìn)行了初步探討。
作者首先將所有“大腦-身體比例”信息錨定于相對(duì)確定的鳥(niǎo)類(lèi)系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系(圖1)。利用Ornstein-Uhlenbeck (OU)過(guò)程,結(jié)合phylogenetic analysis of co-variance (pANCOVA)的分析方法,確定在包含四足恐龍?jiān)趦?nèi)的大尺度范圍下,“鳥(niǎo)類(lèi)”大腦-身體演化比例的大范圍趨勢(shì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在從四足恐龍向鳥(niǎo)類(lèi)演變的過(guò)程中,大腦的體積并沒(méi)有發(fā)生顯著性的變小的趨勢(shì)。同時(shí),作者還對(duì)個(gè)別特異物種自身存在比例差異較大的情況做出基于形態(tài)學(xué)的解釋。

▲圖1 鳥(niǎo)類(lèi)大腦身體尺寸演化
由于包含有四足恐龍及多種化石信息,本研究的研究結(jié)果更具廣泛和一致性。圍繞上述分析,作者發(fā)現(xiàn),恐龍滅絕發(fā)生的時(shí)間,也就是距今6550萬(wàn)年前的白堊紀(jì)-古近紀(jì)(K-Pg)對(duì)于鳥(niǎo)類(lèi)來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵。在經(jīng)歷了這次大滅絕之后,鳥(niǎo)類(lèi)整體表現(xiàn)出了大腦-身體異速演化的情況(圖2),這可能是由于生態(tài)位的拓展,以及鳥(niǎo)類(lèi)對(duì)于飛行能力的適應(yīng),導(dǎo)致鳥(niǎo)類(lèi)出現(xiàn)了身體逐步縮小的趨勢(shì)(飛行鳥(niǎo)類(lèi)都一定程度上表現(xiàn)出此趨勢(shì))。
▲圖2 鳥(niǎo)類(lèi)大腦體積演化的相關(guān)模式與速率
同時(shí),作者也發(fā)現(xiàn)了很多其他的有趣現(xiàn)象:
1)對(duì)于恐龍和早期鳥(niǎo)類(lèi)來(lái)說(shuō),它們擁有相似大腦體積。
2)早期恐龍、鸚鵡和烏鴉是三個(gè)大腦-身體比例差異演化速率最高的類(lèi)群。
3)雖然鸚鵡和烏鴉同時(shí)被認(rèn)為是發(fā)生了大腦-身體比例差異性演化,但是其產(chǎn)生的機(jī)制不盡相同。鸚鵡發(fā)生這一機(jī)制和其他鳥(niǎo)類(lèi)類(lèi)似,是由于身體的過(guò)度縮小導(dǎo)致比例不同;但是,烏鴉的演化模式表明,其和人類(lèi)一樣,大腦和身體都在增長(zhǎng),只是其大腦增長(zhǎng)速率具有更高水平。

本研究通過(guò)基于形態(tài)學(xué)的大數(shù)據(jù)(包含,四足恐龍和化石鳥(niǎo)類(lèi)等)分析,闡釋了鳥(niǎo)類(lèi)這一大類(lèi)群中大腦-身體比例演化速率和模式等相關(guān)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)于這些問(wèn)題的解釋?zhuān)兄谌藗冞M(jìn)一步了解鳥(niǎo)類(lèi)形態(tài)演化的歷史,為進(jìn)一步研究提供基礎(chǔ)。同時(shí),隨著基因組時(shí)代的到來(lái),此工作可為基于基因組數(shù)據(jù)探討鳥(niǎo)類(lèi)起源、演化和特殊形狀發(fā)生機(jī)制等科學(xué)問(wèn)題提供有力的支撐。
參考文獻(xiàn)
[1] Charles Darwin, The Descent of Man. (1871).
論文摘要
向下滑動(dòng)閱覽摘要翻譯
評(píng)述人簡(jiǎn)介
李家堂
青促會(huì)會(huì)員
中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所研究員
向下滑動(dòng)閱覽英文簡(jiǎn)歷
注:本文轉(zhuǎn)載自CellPress細(xì)胞科學(xué)。