众所周知,所有现生的鸟类都没有牙齿,它们各自进化出不同形状的喙,以适应不同的取食需求。不过,化石记录表明,早期鸟类和它们的祖先兽脚类恐龙一样嘴里都是长满牙齿的。以往科学界对现生鸟类喙的发育过程有比较深入的研究,但是对鸟类牙齿丢失的原因却一直众说纷纭。
　　那么,鸟类到底是如何在漫漫历史长河中把牙给弄丢了呢?
　　今年9月26日,发表在《美国科学院学报》上的一项最新成果称,在窃蛋龙类和基干鸟类中发现了牙齿在个体发育过程中逐渐丢失的现象,并指出牙齿的异时发育退化才是导致鸟类牙齿丢失的直接原因。
　　为了减重还是基因突变?
　　首都师范大学生命科学学院王烁博士表示,人类对鸟喙形态的研究历史可以追溯到19世纪中叶。当时,达尔文在随“贝格尔号”进行环球航行时,注意到了生活在加拉帕戈斯群岛不同岛屿上的地雀具有不同的形态的喙,可以帮助它们适应不同的食性并占据不同的生态位。虽然达尔文将这一发现作为支持物种进化的有力证据写入了《物种起源》,但他并没有回答鸟类牙齿如何丢失的问题。
　　最早关注鸟类牙齿丢失问题的可能是荷兰古生物学家海尔曼,他在1927年出版的一本名为《鸟类起源》的书中提到:“最早的鸟类有牙齿,但是后来鸟类长出了角质喙,因为角质喙代替了牙齿的功能,牙齿不再使用,所以就掉光了。”虽然海尔曼并没有回答鸟类的牙齿是怎么掉光的,但此后的整个20世纪似乎没有人对这一所谓的答案产生过疑问。20世纪50年代,甚至有人进一步提出,鸟类牙齿丢失是为了减轻体重,从而更利于飞行。
　　“为了获得一个功能而失去或得到一个器官,在演化上是很难实现的,这好比人类想飞上天,但从来不会长出翅膀。”王烁说,不过,当时并没有人对此提出质疑。“因为不论是支持还是反对都需要证据,彼时全世界发现的早期鸟类化石都非常稀少,由于标本有限而且相当破碎,人们根本无法系统推测早期鸟类到底长什么样儿,也不清楚长牙的早期鸟类究竟只有始祖鸟还是所有的早期鸟类都长牙。”
　　在随后的很长一段时间里,科学界对此并无更多探讨。直到2014年底,有学者在分析了数百种没有牙齿的现生脊椎动物基因序列的基础上提出:鸟类没有牙齿是因为它们与牙齿发育相关的基因发生了突变。
　　“实际上,大多数早期鸟类都是长牙的,只不过长得不是很整齐,有些丢失前面的几颗牙,有些丢失后面的几颗牙。牙齿只要能生长就说明早期鸟类与牙齿发育相关的基因并没有发生突变,而是某些其他的原因导致鸟类牙齿的丢失。因此从那时候起,我就怀疑这些学者的观点可能是站不住脚的。”王烁说。
缘于异时发育退化?
　　去年12月22日,王烁研究团队就曾报告称,他们在新疆发现了一种幼体长牙、成体无牙的恐龙——难逃泥潭龙。这种恐龙刚出壳时,幼体嘴里至少有42颗牙,到了半岁时就只剩下34颗,而到了接近一岁时牙就全部丢光了。这是科学家第一次在恐龙中观察到牙齿长丢了的现象。为此,他们试图从中探析鸟类牙齿丢失之谜。
　　在本次研究中,研究小组发现牙齿在个体发育过程中逐渐丢失的现象在窃蛋龙类和基干鸟类中同样存在,并且在恐龙向鸟类演化的过程中牙齿异时发育丢失的时间不断提前。研究小组称,这说明牙齿的异时发育退化才是导致鸟类牙齿丢失的直接原因。
　　所谓异时发育,就是发育的时间和速率发生的改变。我们看到的动植物的很多特征都是异时发育的结果。王烁举了个通俗的例子,比如雄狮长有鬃毛,雌狮则没有。这是因为在这个特征上雄狮比雌狮多走了“一步”。在王烁看来,对于鸟类的牙齿丢失而言,相对其祖先兽脚类恐龙不是多走了一步而是少走了一步。
　　鸟类的祖先恐龙是有牙齿的,但是有那么几种恐龙,第一代牙齿还出现,随后的几代牙齿慢慢就不长了,取而代之的是角质喙慢慢长出来了。最初长牙的基因没有突变丢失,而是慢慢关闭了。作为一个新出现的器官,角质喙慢慢取代了牙齿的功能,成为了鸟类取食的重要器官。此后,作用于牙齿发育基因上的自然选择压力逐渐减小,这些基因开始发生突变。这说明科学家们在现生鸟类中发现的基因突变是鸟类演化后期才出现的现象,而真正导致早期鸟类牙齿丢失的原因来自异时发育。“人类现有的技术还不能直接检测鸟类化石上残留的遗传物质,因此要想回答鸟类的牙齿是如何丢失的问题,还必须借助古生物学证据。”王烁说。
恐龙掉牙和鸟有关?
　　那么,问题来了。恐龙牙齿丢失关鸟类喙的演化什么事儿?新研究真的就这么靠谱吗?
　　王烁解释说:“目前的证据普遍支持兽脚类恐龙是鸟类的祖先,因此要研究鸟类起源以及鸟类重要特征的起源,就先要知道鸟类的祖先身上发生过什么。这一点就好比我们想知道人类的起源,就需要研究猩猩一样。”
　　而且王烁认为,相比以往对于鸟类牙齿丢失的假说,这一新的发现更有说服力。首先,王烁研究小组通过基于大数据的特征相关性分析发现,牙齿的丢失与角质喙的发育存在着必然的联系。以往的研究表明,骨形态发生蛋白BMP不仅控制着牙齿发育,也参与角质喙的发生过程。通过发育生物学实验证实,这一信号通路表达的上调在引起牙齿发育中断的同时还可以促进角质喙的生长——这一结果第一次阐明了牙齿异时发育退化可能的机制。
　　其次,从泥潭龙到窃蛋龙再到早期鸟类都存在这一现象,说明牙齿的异时发育丢失是脊椎动物牙齿演化常用的一种“手段”。
　　因此,王烁研究团队得出的结论是建立在多条证据链的基础上,通过形态学、演化发育生物学、大数据分析等分析手段获得的,具有很高的可信度。这一工作标志着鸟类牙齿如何丢失这个困扰科学家们将近一个世纪的科学问题或许最终得到了回答。
□姜靖