鳥類演化“生命之樹”

作為恐龍的唯一現存后裔，現代鳥類經歷了怎樣的擴張過程？鳥類如何學會鳴叫？何時丟失了牙齒？如何演化出羽毛？歷經4年努力，中國科學家主導的一個國際團隊12月12日在《科學》和其他雜誌上以專刊形式集中公佈了28篇首期研究成果，公佈了迄今最可靠的鳥類“生命之樹”，同時揭秘羽毛、飛行、鳴叫等演化機制。

來自華大基因和深圳國家基因庫的張國捷、美國杜克大學和霍華德休斯醫學研究所的Erich D.Jarvis、丹麥自然歷史博物館的M.Thomas P.Gilbert領導的國際鳥類基因組聯盟完成了烏鴉、鴨、隼、鸚鵡、企鵝、朱、啄木鳥和鷹等48種鳥類(覆蓋鳥類几乎所有的目)的基因組測序、組裝和全基因組比較分析。

華大基因研究院院長兼CEO王俊告訴南方日報記者，在不遠的將來，根據數字化信息人工合成已滅的鳥類也許有望成為現實。

值得注意的是，看似與普通人並無直接關係的鳥類研究，未來或將對人類生活生影響，如通過研究候鳥可了解禽流感在全世界的分佈規律，研究鳥類語言能力將有助於人類語言能力等方面的研究。

●南方日報記者 馬芳 策劃統籌：黃慧瑩

追本溯源鳥類家譜

研究人員採用全基因組的信息來構建鳥類的物種演化樹，解決了早期鳥類演化關係歷史爭論，確定了物種大爆發和生命演化的順序

鳥類的演化歷程一直是未解之謎。現代鳥類的祖先如何逃過6600萬年前白堊紀的那場大浩劫，擺脫了恐龍和當時地球上大多數生物滅的命運而存活下來？倖存的鳥類快速演化形成了超過1萬個不同物種，生這種生物多樣性背后的分子機制是怎樣的？

12日發表在《科學》上的一篇綜合性文章中上，研究者利用全基因組數據構建生命之樹的方法，構建了有史以來可信度最高的鳥類分子演化樹，前所未有地解決了早期鳥類演化關係歷史爭論，確定了物種大爆發和生命演化的順序。

“在過去，人們只是利用10到20個基因試圖推斷出物種的演化關係。”神經生物學家Erich D.Jarvis表示，此次通過全基因組數據得到的鳥類物種樹與之前得到的結果差異不小，隨樣本量的擴大、基因組數據的增多，越來越多的關鍵問題可以得到解答。

研究人員表示，現代鳥類在早期發生了快速的物種大爆發，因為這一快速擴張的時間很短，沒有演化出足夠多的序列差異，因此很難區分早期分支的親緣關係。為了估計鳥類之間的關係圖譜和分化時間，研究人員決定採用全基因組的信息來構建鳥類的物種演化樹。張國捷表示，這是迄今為止對同一類群物種最大規模的基因組演化歷程分析，也是人類利用比較基因組學揭示生物宏觀演化歷史的重要一步。

這棵基於全基因組數據的新的鳥類演化樹徹底解決了鳥類的早期分支問題，厘清了多鳥類長達數百年的爭論。比如，這個新發現確認了水生鳥類有3次獨立的起源，主要的陸生鳥類如鳴鳥、鸚鵡、啄木鳥、貓頭鷹、鷹、隼等都來自同一祖先，這種祖先鳥類是頂級的捕食者，它同時也是一種在美洲已滅的巨型恐鳥的祖先。

全基因組分析結果還提示，現代鳥類的擴張發生在6600萬年前的大滅事件前后。之前的一些研究推測現代鳥類的擴張應該發生在大滅事件之前的1000萬—8000萬年，而全基因組分析的結果推翻了之前的結論，確認了鳥類物種大爆發發生在恐龍滅之后。

基於這些基因組數據，研究者認為僅有很少的鳥類從大滅事件中存活下來，后來這些鳥類逐漸演化出了1萬多種新鳥綱(Neoaves)鳥類，95%的現存鳥類來自這一新鳥綱鳥類。大滅事件釋放的生境也許為鳥類新物種的形成創造了良好條件，導致它們在不到1500萬年的時間裏快速生了很多新物種，在很大程度上也解釋了為何現代鳥類具有如此豐富的多樣性。

然而，這個“歷史懸案”還沒最終結案。據悉，研究團隊后續將會對所有現存鳥類物種進行基因組測序，期望得到一棵更加完整的鳥類“生命之樹”。

鳥類“弄丟”的基因

一些諸如牙齒和卵巢發育相關基因的丟失對鳥類的演化生很大的影響。鳥類的演化過程證實，基因的丟失有時也能引發新表型的出現

鳥類的重要特徵是如何演化出來的？從恐龍演化到現代鳥類發生的許多變化，在分子層面上如何體現？鳥類在基因組上與其他脊椎動物相比有何異同？鳥類各種生物多樣性背后的分子機理是什麼？為了進一步認識鳥類的演化，研究者挑選了48種鳥類進行基因組測序以及詳細的比較分析。

研究人員發現，雖然鳥類有非常複雜的生物學特徵，但它們的基因組卻非常小，而且很穩定，約只有哺乳動物的1/3大。由張國捷、李彩等聯盟成員開展的一項研究發現，與其他爬行動物相比，鳥類基因組極其精簡，含有很少冗余的重覆序列，並且鳥類的祖先從爬行動物中分化出來后丟失了成百上千的基因。

有一些基因的丟失對鳥類的演化生很大的影響，如牙齒相關基因的丟失解釋了為何現存所有鳥類都沒有牙齒，卵巢發育相關基因的丟失解釋了為何鳥類只有單一功能的卵巢。

“很多鳥類丟失的基因在人類中都有很重要的功能，比如在維持生殖系統、骨骼生成和肺部系統等方面不可或缺，這些關鍵基因的丟失對於鳥類一些特有表型的形成和發育可能有舉足輕重的影響。”張國捷表示，這是個非常有趣的發現，因為人們通常認為，演化過程中，新的遺傳物質是生物演化出新表型必不可少的條件，但鳥類的演化過程提供了很特殊的證據，明基因的丟失有時也能引發新表型的出現。

除了研究鳥類基因組的整體演化，研究者還分析了鳥類一些特有性狀的相關基因。如在飛行方面，研究者發現鳥類中一半以上的骨化相關基因都受到了強烈的自然選擇，這一比例約是哺乳動物的兩倍。這些基因主要涉及骨頭重塑和骨化過程，這些變化有利於鳥類獲得飛行所需要的強壯但輕重量的骨骼。

“燕語鶯啼”之謎

具有鳴唱學習能力的鳥類(包括鳴禽、鸚鵡和蜂鳥)，它們大腦中與鳴唱學習相關的腦基因調控迴路，跟人類大腦中語言相關的區域呈現出趨同表達和演化的特徵

為什麼鸚鵡、八哥能模仿人類話？為什麼有些鳥能模仿其他鳥的聲音？

學術上將鳥類這種能夠記憶並且模仿其他聲音的能力稱作鳴唱學習(Vocal learning)。為了探究鳥類鳴唱學習能力背后的分子機制，研究人員比較了人類、恆河猴、具有鳴唱學習能力的鳥類和沒有鳴唱學習能力的鳥類在大腦的不同區域的基因表達情況，期望找出與控制鳴唱學習能力相關的基因。

12日發表的文章中有8項是關於鳴禽鳴唱學習的研究。兩篇綜合性文章發現的新證據表明，鳴唱學習在鳥類中至少獨立演化生了兩次，並且與很多基因的趨同演化相關。一篇發表於《科學》上的研究文章中發現，具有鳴唱學習能力的鳥類(包括鳴禽、鸚鵡和蜂鳥)，它們大腦中與鳴唱學習相關的腦基因調控迴路，跟人類大腦中語言相關的區域呈現出趨同表達和演化的特徵。他們發現，有50多個相關基因在上述區域表現出了相似的變化模式，而且這些基因很多與神經聯結的形成有關。

具體而言，在人類大腦中，LMC區(Laryngeal motor cortex)控制發出已經學會的聲音，Putamen區域與模仿、探索其他聲音有關係，研究發現，在鳴唱學習的鳥類中也有類似的區域。根據檢測結果，研究人員發現像鸚鵡、夜鶯等鳴唱學習能力強的鳥類，其大腦的RA(robust nucleus of the arcopallium)、AreaX區域分別和人類大腦的LMC、Putamen區域的基因表達模式相類似，其中有一些表達相似的基因能加強鳴唱學習區域和聲帶驅動神經的聯繫。

在另一篇文章中，來自杜克大學的幾位研究人員發現，鳥類的鳴唱涉及到全基因組10%的參與。這些基因與大腦鳴唱學習相關的不同區域有不同的激活方式，而且這些基因的激活還可通過表觀遺傳進行調節。同時，他們還發現鸚鵡具有一套獨特的鳴唱學習系統：它們在一套鳴唱學習系統中還嵌套另一套鳴唱學習系統。這也許就是它們具有模仿人類語言強大能力的原因。

張國捷告訴記者，通過研究這些和人類一樣具有很強的聲音學習能力的鳥類，可以進一步揭示聲音生和學習的機制，如基因突變為何會導致語言障礙等，將為研究人類的語言學習提供幫助，也有利於幫助語言障礙患者進行治療。

新“生命之樹”

之前所有試圖重建鳥類演化樹的努力，無論是用部分DNA測序，還是使用解剖學、行為學的特徵，都遇到很多的困難，所得到的演化樹之間充滿矛盾。比如麝雉是類似野的熱帶鳥，它的分類地位卻一直備受爭議。

麝雉的這種“尷尬”局面只是鳥類分類學中的一個普通例子。因為鳥類在早期演化歷史上經歷了一次輻射性的物種大爆發，爆發的時間很短，使得現存鳥類的演化關係難以區分。雖然研究者多，但在2010年前，2/3以上的目、科分類級別關係混亂。

此次新的鳥類演化樹重新確定了許多曾在歷史上具有極大爭議的鳥類的演化地位。具體而言，是指這棵演化樹上不同分支的確定性比之前研究所得的演化樹更好、可信度更高。例如，根據目前得到的鳥類演化樹，可以很有把握地，麝雉這個物種應該自成一目，與形目和鶴形目是近親，雖然外形與有些相似，但實際上與形目相差甚遠。

根據所得的鳥類演化樹，研究者發現，占現存鳥類95%物種的Neoaves(新鳥小綱)可以分成兩大分支，分別被命名為Passerea和Columbea，這兩大分支分別獨立演化出了各自的陸生鳥類和水生鳥類。在Passerea分支中，研究者認為其陸生鳥類的共同祖先應該是位於生態位頂端的捕食者，而其中具有鳴唱學習能力的鳥類是獨立多起源的。在Columbea中，研究者發現鴿子和火烈鳥其實是姐妹分支。Neoaves的主要分支大部分都是在白堊紀—早第三紀大滅事件(約6600萬年前)的前后1000萬—1500萬年內形成。

■趣鳥類

1、鳥類何時丟失了牙齒？

研究人員認為，鳥類大約在1億年以前丟失了牙齒，牙齒的丟失與它適應新的環境和生活方式有關，而且牙齒的丟失同時還可以起到“減肥”功效，配合骨骼的極端輕量化，使得鳥的重心從頭部向身體后方、下方轉移，從而使飛行更加穩定。

現存的1萬多種鳥類毫無例外都沒有牙齒，但化石研究發現，生活在約1.5億年前的始祖鳥是有牙齒的。這意味，鳥類的牙齒是在演化中逐漸丟失的。

12日發表的一篇文章中指出，與其他一些有牙的脊椎動物不同，牙釉質、牙本質相關的關鍵基因在現存鳥類中發生了關鍵突變，導致現存所有鳥類都沒有牙齒。有5個牙齒相關的基因在大約1億年以前的鳥類共同祖先中就已經失活，從此使得鳥類喪失了生成牙齒的功能。

綜合化石和基因組的證據，科學家描繪出了鳥類丟失牙齒的全過程：先是前頜上的牙齒丟失和前頜上喙鞘(嘴上部分先角質化)的生；然后形成了完全的喙，並丟失了全部的牙齒。丟失牙齒后的鳥類獲得了形態多變的喙，更令鳥類發展出了除取食以外的交流、整理羽毛和溫度調控等多種功能。

2、企鵝為何能在南極生存？

科學家首次對兩種生活在南極大陸的企鵝(帝企鵝和阿德利企鵝)進行了全基因組測序，發現了與企鵝羽毛、翅膀、視覺以及脂肪代謝相關的基因發生的變化。此外，他們還研究了兩種企鵝的群體大小演化歷史及與氣候變化的關係，並推斷出最早的企鵝出現在約6000萬年前。

張國捷與格裏菲斯大學的David Lambert領導的研究團隊利用企鵝和其他鳥類的基因組構建了全新的物種演化樹，發現“家譜”中離企鵝最近的是形目的鳥類，形目中有人們熟悉的信天翁和海燕，這明企鵝跟形目的祖先都是海鳥。據猜測，由於當時全球氣候變暖，企鵝的祖先飛到南半球緯度更高的海域，最終到了南極並適應了那裏的生活。

研究人員在企鵝基因組中發現有多個與脂肪代謝相關的基因受到了自然選擇，由於禦寒的需要，企鵝不斷改變脂肪的代謝與貯藏等方式，這些基因影響脂肪在企鵝體內的合成、代謝以及貯藏。

研究發現，多個與前肢發育相關的基因在企鵝中發生了特異性的突變，這些變異很可能影響其編碼蛋白的功能，其中兩個發生突變的基因EVC和EVC2，在人類當中發生突變后會導致四肢短小、軸后多指畸形等癥狀，與企鵝的前肢形態有相似之處。科學家猜測，這些基因的突變使得企鵝演化出了適合游泳的小短肢。

3、多少滅鳥類可以重來？

在一項研究中，由來自西安交通大學的李生斌和華大基因的楊煥明、李波領導的研究團隊分析了多個瀕危鳥類的基因組，發現這些瀕危鳥類與免疫系統相關的基因具有更少的多樣性，如朱的基因組雜合度尤其是免疫相關的MHC基因的雜合度，遠低於與它近親但並不瀕危的白鷺，其他瀕危鳥類如白頭海雕、啄羊鸚鵡等，也都呈現出基因組雜合度低的特點。

該團隊還發現，因為朱種群數目減少，遺傳漂變的作用使得基因組上與神經系統、解毒相關基因的區域積累了大量有害突變，因此影響其正常功能。

在一個近年來才逐漸恢復多態性的朱種群中，研究人員發現，與大腦功能和新陳代謝相關的基因具有更快的演化速率。他們還發現，這一恢復的朱種群中的基因多樣性比預期的要多，這為后續的朱種群保護帶來了更多希望。

(感謝華大基因的李彩、潘海林、鄭秋梅、易堅、方琦、李芳、成誠等對此文的大力幫助)