恐龙变小了，变成了鸟类

现代鸟类是一群被称为兽脚类的两足恐龙的后代，其成员包括高耸的暴龙霸王龙和较小的速龙。与鸟类关系最密切的兽脚亚目动物通常体重在100至500磅之间-与大多数现代鸟类相比是巨型的-它们有大鼻子，大牙齿，耳朵之间的距离不大。例如，伶盗龙有一个像郊狼一样的头骨和大约鸽子大小的大脑。

几十年来，古生物学家在鸟类和恐龙之间唯一的化石联系是始祖鸟，一种混血生物，有羽翼，但有恐龙的牙齿和长长的骨尾巴。这些动物似乎在短短1000万年内就获得了它们的鸟类特征--羽毛、翅膀和飞行，这在进化时间中只是昙花一现。英国布里斯托尔大学的古生物学家迈克尔·本顿说：“始祖鸟似乎完全具备了现代鸟类的特征。”

为了解释这种神奇的蜕变，科学家们提出了一种通常被称为“有希望的怪物”的理论。根据这一想法，重大的进化飞跃需要大规模的基因改变，这些改变与物种内的常规修改有质的不同。这个故事说，只有在很短的时间内做出如此重大的改变，才能解释从300磅的兽足类突然转变为麻雀大小的史前鸟类伊比罗梅鸟的原因。

但越来越清楚的是，恐龙如何起源鸟类的故事要微妙得多。发现表明，鸟类特有的特征，如羽毛，在鸟类进化之前很久就开始出现，这表明鸟类只是将一些先前存在的特征适应了一种新的用途。最近的研究表明，一些简单的改变-其中包括成年后采用更像婴儿的头骨形状-可能在最终推动鸟类成长的过程中发挥了至关重要的作用。鸟类不仅比它们的恐龙祖先小得多，而且与恐龙胚胎非常相似。这样的适应可能已经为现代鸟类的显著特征铺平了道路，即它们的飞行能力和极其敏捷的喙。这项工作展示了一系列小的进化步骤是如何导致巨大的进化变化的。

在20世纪90年代，来自中国的新恐龙化石的涌入揭示了一个令人惊讶的羽毛般的惊喜。虽然这些化石中有许多没有翅膀，但它们有着从毛茸茸的刚毛到完全铰接的羽毛的全套羽毛。这些新的中间物种的发现填补了参差不齐的化石记录，引发了古生物学家对恐龙到鸟类转变的构想的改变。羽毛，曾经被认为是鸟类特有的，肯定在鸟类发育之前很久就在恐龙身上进化了。

对这些化石进行了复杂的新分析，跟踪了结构变化，并绘制了这些标本之间的关系图，支持了鸟类特征是随着时间的推移而演变的观点。在去年秋天发表在“当代生物学”上的一项研究中，苏格兰爱丁堡大学的古生物学家斯蒂芬·布鲁塞特和他的合作者研究了腔尾龙的化石。腔尾龙是兽脚类的一个亚类，生产始祖鸟和现代鸟类。他们追踪了随着时间的推移一些骨骼属性的变化，发现鸟类与其他腔龙并没有明显的跳跃。

布鲁萨特说：“鸟类并不是一夜之间从霸王龙进化而来的，而是鸟类的经典特征逐一进化而来；首先是两足动物的运动，然后是羽毛，然后是叉骨，然后是更复杂的羽毛，看起来像羽毛笔般的羽毛，然后是翅膀，”布鲁萨特说。“最终的结果是恐龙和鸟类之间相对无缝的过渡，以至于你不能简单地在这两个群体之间划清界限。”

然而，一旦这些鸟类的特征就位，鸟类就起飞了。布鲁萨特对腔龙的研究发现，一旦始祖鸟和其他古代鸟类出现，它们就开始比其他恐龙进化得更快。充满希望的怪兽理论几乎完全倒退了：进化的爆发并没有产生鸟类。相反，鸟类产生了一次突如其来的进化。布鲁萨特说：“鸟类似乎偶然发现了一种非常成功的新身体计划和新生态--小规模飞行--这导致了一场进化爆炸。”

虽然大多数人可能会把羽毛或翅膀作为区分鸟类和恐龙的关键特征，但这个群体的矮小身材也是极其重要的。新的研究表明，鸟类祖先的萎缩速度很快，这表明小巧的体型是一个重要而有利的特征，很可能是鸟类进化中的一个重要组成部分。

与鸟类的其他特征一样，体型的缩小很可能在鸟类自身进化之前很久就开始了。去年发表在“科学”杂志上的一项研究发现，小型化过程开始的时间比科学家预期的要早得多。一些腔龙早在两亿年前就开始缩小了--比始祖鸟出现早了五千万年。当时，大多数其他恐龙的谱系正在变得更大。“微型化是不寻常的，特别是在恐龙中，”本顿说。

一旦鸟类祖先长出翅膀并开始试验滑翔飞行，这种收缩就会加速。去年，本顿的研究小组表明，这种被称为Paraves的恐龙谱系的萎缩速度是其他恐龙谱系增长速度的160倍。本顿说：“其他恐龙变得越来越大、越来越丑，而这条线却悄悄地变得越来越小。”“我们认为，这标志着当时正在进行紧张的遴选活动。”

这种快速的小型化表明，与较大的鸟类相比，较小的鸟类肯定有很强的优势。布鲁萨特说：“也许这种减少是在开辟新的栖息地、新的生活方式，或者甚至与生理和生长的变化有关。”本顿推测，当鸟类的祖先迁徙到树上时，体型矮小的优势可能已经显现出来，树是一种有用的食物和庇护所。

但无论是什么原因，身材矮小很可能是飞行的一个有用的先兆。虽然较大的动物可以滑行，但真正靠拍打翅膀提供动力的飞行需要一定的翅膀大小与重量的比例。鸟类需要变得更小，才能在空中飞行超过一次短暂的滑翔。

2008年，哈佛大学生物学家阿哈特·阿布扎诺夫(Arkhat Abzhanov)被鳄鱼卵淹没。由于鳄鱼是与恐龙的共同祖先的后代，它们可以提供与鸟类的有用的进化比较。(尽管外表不同，鸟类与鳄鱼的亲缘关系比蜥蜴更密切。)。Abzhanov正在研究鳄鱼的脊椎，但最让他印象深刻的是它们像鸟一样的头部形状；鳄鱼胚胎看起来与鸡非常相似。恐龙幼崽的头骨化石显示出同样的模式-它们与成年鸟类相似。考虑到这两个观察结果，Abzhanov有了一个想法。也许鸟类从恐龙进化而来，是因为它们在生命早期就停止了它们的发育模式。

为了验证这一理论，阿布扎诺夫与纽约美国自然历史博物馆的古生物学家马克·诺雷尔、时任阿布扎诺夫实验室博士生的巴特-安詹·布拉以及其他同事一起收集了全球各地的化石数据，包括始祖鸟等远古鸟类，以及死于巢中的发育中恐龙蛋的化石数据。他们追踪了恐龙进化成鸟类时头骨形状的变化。

他们发现，随着时间的推移，脸部塌陷，眼睛、大脑和喙都长出来了。Abzhanov说：“第一批鸟类几乎与速度猛禽的晚期胚胎完全相同。”“现代鸟类变得更加幼稚，与它们的雏形相比变化更小。”简而言之，鸟类就像是可以繁殖的幼小恐龙。

这个过程被称为足畸形，是一条有效的进化路线。加州大学伯克利分校(University of California，Berkeley)的发育生物学家尼帕姆·帕特尔(Nipam Patel)说：“它不是想出新的东西，而是利用你已经拥有的东西，并对其进行扩展。”

“我们越来越多地看到，进化的运作方式比我们之前所欣赏的要优雅得多，”布拉说，他将于今年秋天在耶鲁大学开设自己的实验室。鸟类头骨的无数变化都可能是由于脚畸形，也就是早期胚胎中的一组分子变化。

为什么足畸形对鸟类的进化很重要？它可能有助于推动小型化，反之亦然。体型的变化通常与发育的变化有关，因此选择体型较小的体型可能会阻碍成年体型的发育。本顿说：“缩短发育顺序的一个好办法是停止在较小的体型下生长。”成年动物的婴儿头骨也可能有助于解释鸟类大脑尺寸的增加，因为相对于成年动物来说，幼小动物的头部通常更大。他说：“改善大脑大小的一个很好的方法是在成年后保持儿童的大小。”

(事实上，童态可能是进化中许多重大转变的基础，甚至可能是哺乳动物和人类发育的基础。与黑猩猩的头骨相比，我们的大头骨可能是足畸形。)。

更重要的是，足畸形帮助头骨变成了一块白板，在上面进行选择可以创造出新的结构。通过擦除鼻子，它可能为鸟类的另一个最重要的特征：喙铺平了道路。

研究发生在进化时间深处的事情的问题是，不可能确切地知道发生了什么。科学家们永远无法准确地破译鸟类是如何从恐龙进化而来的，或者哪一组特征是这种转变的关键。但随着进化论、遗传学和发育生物学这三个领域的交叉，他们现在可以开始探索具体特征可能是如何产生的。

Abzhanov特别感兴趣的是喙，这是鸟类用来寻找食物、清洁自己、筑巢和照顾幼鸟的一种非凡的结构。他的理论认为，鸟类的广泛成功不仅源于它们的飞行能力，还源于它们令人惊叹的多种多样的喙。“现代鸟类在脸部进化出一对手指，”他说。

凭借对鸟类进化的洞察力，Abzhanov、Bhullar和合作者已经能够挖掘帮助形成喙的遗传机制。在上个月发表在“进化”杂志上的一项新研究中，研究人员表明，仅仅几个小小的基因调整就可以把一张鸟的脸变成一个类似恐龙的脸。

在现代鸟类中，被称为前颌骨的两块骨头融合成喙。这种结构与恐龙、鳄鱼、古鸟和大多数其他脊椎动物截然不同，在这些脊椎动物中，这两块骨头保持分离，形成了鼻子。为了弄清楚这种变化可能是如何发生的，研究人员绘制出了在这些骨骼中表达的两个基因在一系列动物中的活动情况：鳄鱼、鸡、老鼠、蜥蜴、海龟和鳗鱼，这是一种让人联想到古代鸟类的活物种。

他们发现爬行动物和哺乳动物有两块活动区域，一块在发育中的鼻腔两边。另一方面，鸟类的面部前部有一个大得多的单一斑块。研究人员推断，考虑到鳄鱼的鼻子和前颌骨相似，鳄鱼的图案可以作为恐龙图案的替代品。然后，研究人员使用化学物质来阻断面部中部的基因，从而取消了鸡胚胎中鸟类特有的基因表达模式。(出于道德原因，他们不允许鸡孵化。)。

结果是：经过处理的胚胎长出了更像恐龙的脸。德克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas，Austin)的古生物学家蒂莫西·罗(Timothy Rowe)此前曾与阿布扎诺夫合作，他说：“他们基本上把鸟类胚胎培育回了看起来更像已灭绝恐龙形态的东西。”

这些发现突显了简单的分子调整可以引发重大的结构变化。Abzhanov说，鸟类“以一种新的方式使用现有的工具来创造一个全新的面孔。”“它们并没有进化出新的基因或途径，它们只是改变了对现有基因的控制。”

就像布鲁塞特和其他人的研究一样，阿布扎诺夫的工作挑战了有希望的怪物理论，而且是在基因的尺度上做到了这一点。喙的产生不需要一些特殊的进化跳跃或大规模的基因改变。相反，Abzhanov展示了塑造微观进化的相同力量-物种内部的微小变化-也推动了宏观进化，即全新特征和新物种群体的进化。

具体地说，基因调控方式的微小变化可能既推动了经过数百万年进化的喙的最初创造，也推动了鸟类喙的多样化形状，而鸟嘴的形状可能会在短短几代人的时间里发生变化。Abzhanov说：“我们表明，简单的监管改革可以产生重大影响。”

Bhullar和Abzhanov计划更深入地挖掘喙和鸟类头骨是如何进化的问题，他们使用相同的方法来操纵头骨和大脑发育的不同特征。“我们只是触及了这项工作的皮毛，”Bhullar说。

更正：2015年6月3日：原文称鳄鱼是恐龙的后代。事实上，鳄鱼和恐龙可能有共同的祖先。这篇文章已经进行了修改，以反映这一点。

2015年6月4日：“不可思议的缩小的鸟”图片中的恐龙轮廓基于以下插图：乔丹·马龙的独角龙，艾米丽·威洛比的恐爪龙，以及马特·马提纽克的伶盗龙。