鸟类基因组及演化生物学研究

鸟类牙齿丢失

文章引用

Robert W. Meredith, Guojie Zhang, M Thomas P Gilbert, Erich D. Jarvis, and Mark S. Springer, 'Evidence for a Single Loss of Mineralized Teeth in the Common Avian Ancestor', Science (2014).

英文摘要

Edentulism, the absence of teeth, has evolved convergently among vertebrates including birds, turtles, and lineages of mammals. Instead of teeth, modern birds (Neornithes) use a horny beak (rhamphotheca) and a muscular gizzard to acquire and process food. We performed comparative genomic analyses representing lineages of nearly all extant bird orders and recovered shared, inactivating mutations within genes expressed in both the enamel and dentin of teeth of other vertebrate species, indicating that the common ancestor of modern birds lacked mineralized teeth. We estimate that tooth loss, or at least the loss of enamel caps that provide the outer layer of mineralized teeth, occurred ~116 million years ago.

文章解读

牙口好,胃口才好?鸟儿说不!

文/方琦等人

在人们的认识中,“牙口好,胃口就好”,一口好牙对人类的正常生活,可谓极其重要。然而,同是脊椎动物,现存的10000多种鸟类却毫无例外都没有牙齿!

之前的化石研究发现,生活在约1.5亿年前的始祖鸟(Archaeopteryx)是有牙齿的。已知最早没牙齿的鸟是在我国辽宁发现的孔子鸟(Confuciusornis),生活在大约1.2亿年前,而同时期的鸟类很多是有牙齿的。这也意味着鸟类的牙齿是在演化中逐渐丢失的。那么,鸟类的牙齿为何会丢失?是在何时丢失的?牙齿丢失背后的分子机制是什么?

为了回答上述问题,在最近的一项研究中科学家研究了48个鸟类物种以及其它脊椎动物的基因组信息。

通过对牙齿相关基因的详细分析,研究者发现多个与牙釉质形成和牙本质形成的相关基因在所有鸟类的基因组中都已经丢失或者只剩下残留的序列, 因此它们都丧失了生成牙齿的功能。

根据不同物种的DNA序列之间的差异推断,现存鸟类的共同祖先丢失牙齿的时间在第三纪大灭绝之前,其具体时间为:牙釉质的丢失是在大约1.16亿年前,整个牙齿的丢失不晚于1亿年前。

综合化石和基因组的证据,科学家描绘出了鸟类丢失牙齿的全过程:先是前颌上的牙齿丢失和前颌上喙鞘(嘴上部分先角质化)的产生;然后形成了完全的喙,并丢失了全部的牙齿。丢失牙齿后的鸟类获得了形态多变的喙,更令鸟类发展出了除取食以外的交流、整理羽毛和温度调控等多种功能。

关于鸟类牙齿为何丢失,研究人员认为它与适应新的环境和生活方式有关。鸟类过着飞行的生活,为了满足持续飞行的需要,鸟类开始用角质喙(鸟嘴)来获取食物并快速吞下食物,同时演化出嗉囊(食管后段的膨大部分)和砂囊(即平时人们常吃的鸡胗、鸭胗)来储存和消化这些食物。食物在嗉囊当中慢慢软化,再经砂囊磨碎,最后由消化系统的其余部分消化与吸收。因为鸟类用这一系统取代了牙齿的功能,从而导致牙齿逐步退化。

此外,牙齿的丢失同时还可以起到减肥功效,配合骨骼的极端轻量化,使得鸟的重心从头部向身体后方、下方转移,从而飞行更加稳定。

由此可见,牙齿的丢失对鸟类并不是一件坏事情,反而对当时环境的适应有着重要的意义。所谓“有舍才有得”,最终这群无牙的“奇葩”鸟类在演化历史中幸存下来,而其它有牙的鸟类反而灭绝了踪迹。

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