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“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

2020/05/02
導(dǎo)讀
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。

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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,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。


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▲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))。


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▲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。


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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

鳥(niǎo)類(lèi)具有與靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物相近的相對(duì)大腦尺寸,但是造成這一現(xiàn)象的驅(qū)動(dòng)力和大尺度模式尚未得到解答。結(jié)合鳥(niǎo)類(lèi)的起源和進(jìn)化過(guò)程,本研究探索了鳥(niǎo)類(lèi)基本的腦-體比例關(guān)系的演變模式。通過(guò)一份包含超過(guò)2,000種現(xiàn)代鳥(niǎo)類(lèi)、化石鳥(niǎo)類(lèi)和獸腳亞目恐龍的綜合數(shù)據(jù),我們得以從長(zhǎng)時(shí)間跨度對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)腦-體共變模式進(jìn)行了推斷。研究證實(shí),在獸腳亞目恐龍-鳥(niǎo)類(lèi)過(guò)渡期間,伴隨小型化或適應(yīng)飛行進(jìn)化的趨勢(shì),鳥(niǎo)類(lèi)的相對(duì)大腦尺寸沒(méi)有顯著增加。不過(guò),關(guān)鍵的是,獸腳類(lèi)和基干鳥(niǎo)類(lèi)的大腦大小與體型之間的整合較弱,允許腦-體比例關(guān)系發(fā)生快速改變,這為早期冠群鳥(niǎo)類(lèi)發(fā)生急劇轉(zhuǎn)變奠定了基礎(chǔ)。研究推斷,在白堊紀(jì)-古近紀(jì)大滅絕后,新鳥(niǎo)類(lèi)快速的產(chǎn)生了重大轉(zhuǎn)變,表現(xiàn)為多個(gè)進(jìn)化支系發(fā)生了由于體型減小而獲得了相對(duì)較高的大腦大小的現(xiàn)象。鸚鵡和烏鴉具有鳥(niǎo)類(lèi)中的最大大腦,但是其產(chǎn)生模式完全不同。鸚鵡主要是通過(guò)減小它們的體型來(lái)實(shí)現(xiàn),而烏鴉雖然同時(shí)增加身體和大腦大小,但是其大腦尺寸的進(jìn)化速度要超過(guò)其身體。總的來(lái)說(shuō),這些模式表明早期在大腦尺寸上發(fā)生的適應(yīng)性輻射為隨后的選擇和穩(wěn)定提供了基礎(chǔ)。

[中文內(nèi)容僅供參考,請(qǐng)以英文原文為準(zhǔn)]


Relative brain sizes in birds can rival those of primates, but large-scale patterns and drivers of avian brain evolution remain elusive. Here, we explore the evolution of the fundamental brain-body scaling relationship across the origin and evolution of birds. Using a comprehensive dataset sampling> 2,000 modern birds, fossil birds, and theropod dinosaurs, we infer patterns of brain-body co-variation in deep time. Our study confirms that no significant increase in relative brain size accompanied the trend toward miniaturization or evolution of flight during the theropod-bird transition. Critically, however, theropods and basal birds show weaker integration between brain size and body size, allowing for rapid changes in the brain-body relationship that set the stage for dramatic shifts in early crown birds. We infer that major shifts occurred rapidly in the aftermath of the Cretaceous-Paleogene mass extinction within Neoaves, in which multiple clades achieved higher relative brain sizes because of a reduction in body size. Parrots and corvids achieved the largest brains observed in birds via markedly different patterns. Parrots primarily reduced their body size, whereas corvids increased body and brain size simultaneously (with rates of brain size evolution outpacing rates of body size evolution). Collectively, these patterns suggest that an early adaptive radiation in brain size laid the foundation for subsequent selection and stabilization.

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評(píng)述人簡(jiǎn)介

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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

李家堂:

中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所研究員、中科院青促會(huì)優(yōu)秀會(huì)員。從事兩棲爬行動(dòng)物系統(tǒng)學(xué)與演化生物學(xué)相關(guān)方面的研究。


Jia-Tang Li is a principle investigator in Chengdu Institute of Biology, Chinese Academy of Sciences. He mainly focuses on diversity patterns, adaptative strategies and evolutionary biology of amphibians and reptiles. He published more than forty research articles, including PNAS, NC, MBE, and NSR, and was selected as a member (2014) and excellent member (2018) of Youth Innovation Promotion Association of CAS.

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注:本文轉(zhuǎn)載自CellPress細(xì)胞科學(xué)。

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