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Science封面：蛋的形狀千變?nèi)f化，關(guān)鳥啥事？

來源: X-MOL 2017-07-04 13:40:59

荷包蛋、白煮蛋、咸蛋、煎蛋、蒸蛋……“葬身”諸君腹中的雞蛋、鴨蛋、鵪鶉蛋，每每數(shù)以千計。年少時有掏鳥窩“劣跡”的，估計麻雀、烏鴉之類的蛋也嘗試過。吃過了那么多蛋，有沒有注意到鳥蛋的形狀其實并不相同？

各種形狀的鳥蛋。

所有的鳥蛋都和雞蛋一樣擁有堅硬的外殼和殼內(nèi)的白膜，這類蛋有個專有名詞——羊膜卵。就是這樣簡單的結(jié)構(gòu)，卻是脊椎動物能夠從海洋登上陸地，適應(yīng)空氣環(huán)境的關(guān)鍵。3億6千萬年的漫漫進(jìn)化之路上，鳥類的蛋演化出了各種形狀和大小，有的是近乎完美的球形，也有的呈炫酷的淚滴形。問題來了，為什么鳥蛋會演化出這么多不同的外形？

這個問題的答案或許能揭開鳥類的演化之謎。

美國哈佛大學(xué)、普林斯頓大學(xué)的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一支國際研究團(tuán)隊為了尋找這一問題的答案，采用數(shù)學(xué)、物理學(xué)和生物學(xué)方法，測量了約1,400種鳥類共49,175枚鳥蛋的形狀，并建立了模型來解釋蛋膜是如何決定蛋體形狀的。利用系統(tǒng)發(fā)育模型，研究者發(fā)現(xiàn)蛋的形狀和成鳥的飛行能力有關(guān)，換句話說鳥類對飛行的適應(yīng)可能是鳥蛋形狀改變的驅(qū)動力。該研究近期以封面文章形式發(fā)表Science 雜志上。

領(lǐng)導(dǎo)這樣一個背景多樣的國際團(tuán)隊，學(xué)術(shù)帶頭人的實力自然不容小覷。文章的通訊作者L. Mahadevan教授就是位縱橫多個領(lǐng)域的高手，他身兼哈佛大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)教授、有機(jī)體與進(jìn)化生物學(xué)教授和物理學(xué)教授三職。為了找到研究鳥蛋的統(tǒng)一方法，Mahadevan和本文第一作者、普林斯頓大學(xué)生態(tài)學(xué)與進(jìn)化生物學(xué)助理教授Mary Caswell Stoddard等人提出了三個核心問題：如何量化鳥蛋的形狀？決定鳥蛋形狀的生物物理機(jī)制是什么？鳥蛋形狀對物種演化和生態(tài)環(huán)境的影響是什么？

研究人員首先繪制了約50,000種鳥蛋的兩極間不對稱度（asymmetry）和橢圓率（ellipticity），這些蛋來自35個目下約1,400個種（占其所有種的14%）的鳥類，包括2個已滅絕的目。從結(jié)果看，鳥蛋的形狀改變是連續(xù)變化的，許多物種之間存在著重疊。如果完美的球形蛋是起點，那它是一點一點逐漸變異成錐形蛋的。就像太陽光譜從紅外線一直到紫外線，中間不曾有過跳躍。

那么，這種蛋的變異“光譜”如何形成的呢？

鳥類學(xué)家早就知道蛋膜在鳥蛋形狀形成過程中扮演著重要角色。如果把一顆雞蛋放到醋酸這樣的弱酸中，蛋殼會被溶解，但因為膜的存在，蛋會保持住原來的形狀。

據(jù)說是醋酸溶解蛋殼后的雞蛋。圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

想象有這樣的一個氣球，它由同一種材質(zhì)制成，每個地方都一樣厚，如果給這個氣球吹起，鼓起來的氣球一定是個近乎完美的球形。但如果氣球各處的材質(zhì)、厚度不均一，膨脹后就可能產(chǎn)生各種形狀。

Mahadevan稱，“我們觀測了不同鳥蛋兩極間之間膜的厚度變化，并依據(jù)這些數(shù)據(jù)建立了數(shù)學(xué)模型。我們假設(shè)蛋就是一個能夠承壓的彈性氣球，在膨脹的過程中我們能捕捉到真實的蛋的形狀。”他們認(rèn)為，鳥蛋的不同形態(tài)正是基于蛋膜厚度和組成的多變性，施加在膜上壓力不均勻，鳥蛋的形態(tài)才如此多變。

下一個問題是，這些造型各異的蛋和鳥類的進(jìn)化又有什么關(guān)系？

于是，研究者分析了不同蛋的形狀與不同鳥類筑巢形式、筑巢位置、產(chǎn)卵數(shù)、飲食和飛行能力的聯(lián)系。

不同種類鳥蛋的長度、不對稱度和橢圓率對比。圖片來源：Science

結(jié)果相當(dāng)有意思，他們發(fā)現(xiàn)鳥類的飛行能力是影響鳥蛋形態(tài)的主要因素。眾所周知，鳥類之所以能飛行，除了因為有輕巧的骨骼和有力的翅膀，身體的流線型也很重要。為了保持體型，善飛的鳥讓蛋變得更不對稱且更接近于橢球形。這樣的話，雌鳥就能在不增加蛋寬度的前提下使鳥蛋的體積最大化，它們的輸卵管也可以非常狹窄。

所以信天翁和蜂鳥雖然是兩種截然不同的鳥類，但它們產(chǎn)下的蛋的形狀卻很相似（當(dāng)然，尺寸差別很大），而且它們都是鳥類中的飛行高手。

下一步，研究者計劃直接觀察蛋的形成過程，并與模型作對比。另外還有一些有意思的問題沒有解決，鳥蛋的外殼顏色與花紋更加多變，這又是怎么形成的呢？

這里小氘要強(qiáng)調(diào)一下，本文的結(jié)論強(qiáng)調(diào)的是鳥蛋形狀和飛行能力的相關(guān)性，并不是因果關(guān)系。可以很輕松舉幾個例子：貴為新西蘭國鳥的幾維鳥（kiwi bird）的蛋呈橢球形，然后幾維鳥并不會飛，甚至連翅膀都退化了……另一種不會飛的鳥類——企鵝，蛋的外形是不對稱的。

生命科學(xué)

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