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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“中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會”合作開設(shè)“青促會述評”專欄，以期增進學(xué)術(shù)互動，促進國際交流。
本期專欄文章，由來自中國科學(xué)院成都生物研究所、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會會員 李家堂，就Current Biology中的論文發(fā)表述評。
逐步趨于穩(wěn)定的身體比例演化幫助人類在過去的幾十萬年間適應(yīng)了復(fù)雜多變的環(huán)境。當(dāng)然，這不僅僅體現(xiàn)在長途遷徙、耐力奔跑等運動能力上，人類本身可算作“大頭一族”，其大腦體積與軀體的相對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進行更為復(fù)雜高級的行為，進而決定了人類與動物在意識上的差異[1]。同樣地，對于其他物種來說，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。
在鳥類中，被認(rèn)為相對較為“聰明”的鸚鵡、烏鴉等都具有“頭大”的性狀。因此，開展鳥類大腦-身體比例相關(guān)演化研究，可以幫助了解在演化過程中大腦-身體比例演化異速發(fā)生的原因，為鳥類的多種行為（飛行、復(fù)雜社會行為及認(rèn)知等）做出解釋。在最新一期的Current Biology中，Ksepka所在研究團隊，通過使用并整合超過2000種包括，現(xiàn)代鳥類、化石鳥類以及四足恐龍的大腦顱腔模型數(shù)據(jù)，對于鳥類這一形態(tài)演化問題進行了初步探討。
作者首先將所有“大腦-身體比例”信息錨定于相對確定的鳥類系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系（圖1）。利用Ornstein-Uhlenbeck （OU）過程，結(jié)合phylogenetic analysis of co-variance （pANCOVA）的分析方法，確定在包含四足恐龍在內(nèi)的大尺度范圍下，“鳥類”大腦-身體演化比例的大范圍趨勢。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在從四足恐龍向鳥類演變的過程中，大腦的體積并沒有發(fā)生顯著性的變小的趨勢。同時，作者還對個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。
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)生的時間，也就是距今6550萬年前的白堊紀(jì)－古近紀(jì)（K-Pg）對于鳥類來說非常關(guān)鍵。在經(jīng)歷了這次大滅絕之后，鳥類整體表現(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，以及鳥類對于飛行能力的適應(yīng)，導(dǎo)致鳥類出現(xiàn)了身體逐步縮小的趨勢（飛行鳥類都一定程度上表現(xiàn)出此趨勢）。
▲圖2 鳥類大腦體積演化的相關(guān)模式與速率
同時，作者也發(fā)現(xiàn)了很多其他的有趣現(xiàn)象：
1）對于恐龍和早期鳥類來說，它們擁有相似大腦體積。
2）早期恐龍、鸚鵡和烏鴉是三個大腦-身體比例差異演化速率最高的類群。
3）雖然鸚鵡和烏鴉同時被認(rèn)為是發(fā)生了大腦-身體比例差異性演化，但是其產(chǎn)生的機制不盡相同。鸚鵡發(fā)生這一機制和其他鳥類類似，是由于身體的過度縮小導(dǎo)致比例不同；但是，烏鴉的演化模式表明，其和人類一樣，大腦和身體都在增長，只是其大腦增長速率具有更高水平。
本研究通過基于形態(tài)學(xué)的大數(shù)據(jù)（包含，四足恐龍和化石鳥類等）分析，闡釋了鳥類這一大類群中大腦-身體比例演化速率和模式等相關(guān)問題。通過對于這些問題的解釋，有助于人們進一步了解鳥類形態(tài)演化的歷史，為進一步研究提供基礎(chǔ)。同時，隨著基因組時代的到來，此工作可為基于基因組數(shù)據(jù)探討鳥類起源、演化和特殊形狀發(fā)生機制等科學(xué)問題提供有力的支撐。
[1] Charles Darwin, The Descent of Man. (1871).
鳥類具有與靈長類動物相近的相對大腦尺寸，但是造成這一現(xiàn)象的驅(qū)動力和大尺度模式尚未得到解答。結(jié)合鳥類的起源和進化過程，本研究探索了鳥類基本的腦-體比例關(guān)系的演變模式。通過一份包含超過2,000種現(xiàn)代鳥類、化石鳥類和獸腳亞目恐龍的綜合數(shù)據(jù)，我們得以從長時間跨度對鳥類腦-體共變模式進行了推斷。研究證實，在獸腳亞目恐龍-鳥類過渡期間，伴隨小型化或適應(yīng)飛行進化的趨勢，鳥類的相對大腦尺寸沒有顯著增加。不過，關(guān)鍵的是，獸腳類和基干鳥類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，這為早期冠群鳥類發(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，新鳥類快速的產(chǎn)生了重大轉(zhuǎn)變，表現(xiàn)為多個進化支系發(fā)生了由于體型減小而獲得了相對較高的大腦大小的現(xiàn)象。鸚鵡和烏鴉具有鳥類中的最大大腦，但是其產(chǎn)生模式完全不同。鸚鵡主要是通過減小它們的體型來實現(xiàn)，而烏鴉雖然同時增加身體和大腦大小，但是其大腦尺寸的進化速度要超過其身體?？偟膩碚f，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.
李家堂
青促會會員
中國科學(xué)院成都生物研究所研究員
李家堂：
中國科學(xué)院成都生物研究所研究員、中科院青促會優(yōu)秀會員。從事兩棲爬行動物系統(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.
注：本文轉(zhuǎn)載自CellPress細(xì)胞科學(xué)。
