地球上现存有约一万种鸟类，它们是四足类脊椎动物中物种最丰富的类群。由于具有众多特殊的性状和生理功能，如飞行、生物导航、超级远视、高效代谢等，鸟类体内蕴藏着重要的生物基因资源。为探索现代鸟类的起源、演化历程、物种性状多样性的形成及维持机制，由中国科学家牵头、20多个国家和
地球上现存有约一万种鸟类，它们是四足类脊椎动物中物种最丰富的类群。由于具有众多特殊的性状和生理功能，如飞行、生物导航、超级远视、高效代谢等，鸟类体内蕴藏着重要的生物基因资源。
为探索现代鸟类的起源、演化历程、物种性状多样性的形成及维持机制，由中国科学家牵头、20多个国家和地区的科研人员组成的国际研究团队，于2015年启动了“万种鸟基因组计划”（B10K）。
七年来，该计划已累计完成了3000多种鸟类组学数据和表型数据的数字化工作，从中发现了大量有趣的鸟类演化故事。
（图片来源：B10K官网）
β角蛋白与斑斓羽衣
羽毛是鸟类最鲜明的特点之一，不同类群的鸟类往往拥有独特的羽毛，以适应不同的生活环境。研究团队通过研究48种鸟的全基因组信息，揭示了鸟类羽毛演化的奥秘。
鸟类的羽毛属于表皮的一部分，而角蛋白是制作鸟类“服装”的重要材料，不同鸟类的“服装”需要通过选取不同类型和不同数目的角蛋白来量身定制。鸟羽主要由α角蛋白和β角蛋白构成，其中β角蛋白是爬行动物和鸟类所特有的，且各类主要β角蛋白均参与了羽毛的发育过程。
研究表明，角蛋白的基因数量以及β角蛋白不同亚类的组成比例，对鸟类羽毛的多样性和对不同生活环境的适应都有着重要的影响。例如，水生鸟类相比陆生鸟类含有较少的羽毛β角蛋白，但拥有更多的角化细胞β角蛋白。这可能与水生鸟类羽毛的疏水性和调节温度的功能有着重要关联。此外，肉食性鸟类中含有更多的爪子β角蛋白。这表明β角蛋白对猛禽类爪与喙的演化起着关键作用。
无牙也能美食自由
一口好牙对很多动物都极其重要，然而鸟类却是一群“无齿”之徒。不过，化石研究发现，一些古鸟是有牙齿的。我国辽西发现的1.2亿年前孔子鸟，是迄今已知最早的没牙齿鸟类，与其同时期的很多鸟类仍保有牙齿。这意味着鸟类是在演化中逐渐丢失了牙齿。
通过对鸟类和其它脊椎动物牙齿相关基因的详细分析，科学家发现，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丢失或只剩下残留序列，鸟类也因此丧失了生成牙齿的功能。
根据推断，现存鸟类的共同祖先丢失牙釉质的时间约在1.16亿年前，所有牙齿的丢失不晚于1亿年前。为了满足持续飞行的需要，鸟类用喙来获取食物并快速吞下，同时演化出嗉囊和砂囊来储存和消化这些食物，这一系统在鸟类中取代了牙齿的功能。丢牙后的鸟类获得了更多形态的喙，并令喙发展出了交流、整理羽毛和温度调控等多种功能。
飞羽助力翱翔天空
鸟类飞翔需要很多配置，比如舒展的翅膀、发达的胸肌、流线的身体和中空的骨骼等。飞羽是其中的一种重要“装备”，这些生长在翼区后缘的羽毛，是赋予鸟类飞行能力的最重要特征。
飞羽是如何演化形成的？通过比较48个鸟类物种的基因组和9个其它类群脊椎动物基因组（涵盖哺乳类、爬行类、两栖类和鱼类），科学家发现约有1%的鸟类基因组区域属于鸟类基因组特异性保守序列（ASHCEs），而且超过99%都落在非编码区。由此研究人员推断，鸟类特异表型的产生，并不是通过增加新的蛋白编码基因来实现，而是通过改变非编码区的调控序列，从而影响基因的表达。
（图片来源：视觉中国）
随后，研究团队找到了一个重要基因——SIM1。该基因行使功能的时间和位置与飞羽的发育时间和位置相契合。经研究发现，SIM1以及其关联的ASHCE对鸟类飞羽的形成有着重要作用。而这个鸟类特有性状正是因为鸟类祖先在与其他恐龙分化后，在SIM1基因附近获得了一个关联ASHCE元件，才促使了鸟类飞羽功能的形成。
鸟鸣与人语演化趋同
歌唱是鸣禽的一项特殊功能。鸟的发声包括鸣唱和鸣叫两种，鸣叫一般指相对简单的发声，而鸣唱则代表更复杂的发声。
鸟类依靠鸣管和鸣肌发声，鸣管位于气管与支气管交界处，由若干个扩大的软骨环及其间的鸣膜组成。鸟类的鸣唱依赖于前端脑通路来控制鸣曲的可塑性，并依靠发声运动通路保持鸣曲的稳定性，两者相互调节，以控制鸟类的发声学习。
2014年，B10K在美国《科学》杂志发表论文，报道了在具有发声学习能力的鸟类中，其发声学习相关的脑区与人类语言学习相关的脑区，在解剖位置上高度同源。尽管人类和鸟类的血缘关系非常遥远，但进一步研究却发现，发声学习的鸟类和人类在大脑神经通路上非常相似，展现出了独立演化的相似性。
作者：B10K研究组
编辑：许琦敏
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