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Science封面：蛋的形状千变万化，关鸟啥事？

来源: X-MOL 2017-07-04 13:40:59

荷包蛋、白煮蛋、咸蛋、煎蛋、蒸蛋……“葬身”诸君腹中的鸡蛋、鸭蛋、鹌鹑蛋，每每数以千计。年少时有掏鸟窝“劣迹”的，估计麻雀、乌鸦之类的蛋也尝试过。吃过了那么多蛋，有没有注意到鸟蛋的形状其实并不相同？

各种形状的鸟蛋。

所有的鸟蛋都和鸡蛋一样拥有坚硬的外壳和壳内的白膜，这类蛋有个专有名词——羊膜卵。就是这样简单的结构，却是脊椎动物能够从海洋登上陆地，适应空气环境的关键。3亿6千万年的漫漫进化之路上，鸟类的蛋演化出了各种形状和大小，有的是近乎完美的球形，也有的呈炫酷的泪滴形。问题来了，为什么鸟蛋会演化出这么多不同的外形？

这个问题的答案或许能揭开鸟类的演化之谜。

美国哈佛大学、普林斯顿大学的科学家领导的一支国际研究团队为了寻找这一问题的答案，采用数学、物理学和生物学方法，测量了约1,400种鸟类共49,175枚鸟蛋的形状，并建立了模型来解释蛋膜是如何决定蛋体形状的。利用系统发育模型，研究者发现蛋的形状和成鸟的飞行能力有关，换句话说鸟类对飞行的适应可能是鸟蛋形状改变的驱动力。该研究近期以封面文章形式发表Science 杂志上。

领导这样一个背景多样的国际团队，学术带头人的实力自然不容小觑。文章的通讯作者L. Mahadevan教授就是位纵横多个领域的高手，他身兼哈佛大学应用数学教授、有机体与进化生物学教授和物理学教授三职。为了找到研究鸟蛋的统一方法，Mahadevan和本文第一作者、普林斯顿大学生态学与进化生物学助理教授Mary Caswell Stoddard等人提出了三个核心问题：如何量化鸟蛋的形状？决定鸟蛋形状的生物物理机制是什么？鸟蛋形状对物种演化和生态环境的影响是什么？

研究人员首先绘制了约50,000种鸟蛋的两极间不对称度（asymmetry）和椭圆率（ellipticity），这些蛋来自35个目下约1,400个种（占其所有种的14%）的鸟类，包括2个已灭绝的目。从结果看，鸟蛋的形状改变是连续变化的，许多物种之间存在着重叠。如果完美的球形蛋是起点，那它是一点一点逐渐变异成锥形蛋的。就像太阳光谱从红外线一直到紫外线，中间不曾有过跳跃。

那么，这种蛋的变异“光谱”如何形成的呢？

鸟类学家早就知道蛋膜在鸟蛋形状形成过程中扮演着重要角色。如果把一颗鸡蛋放到醋酸这样的弱酸中，蛋壳会被溶解，但因为膜的存在，蛋会保持住原来的形状。

据说是醋酸溶解蛋壳后的鸡蛋。图片来源于网络

想象有这样的一个气球，它由同一种材质制成，每个地方都一样厚，如果给这个气球吹起，鼓起来的气球一定是个近乎完美的球形。但如果气球各处的材质、厚度不均一，膨胀后就可能产生各种形状。

Mahadevan称，“我们观测了不同鸟蛋两极间之间膜的厚度变化，并依据这些数据建立了数学模型。我们假设蛋就是一个能够承压的弹性气球，在膨胀的过程中我们能捕捉到真实的蛋的形状。”他们认为，鸟蛋的不同形态正是基于蛋膜厚度和组成的多变性，施加在膜上压力不均匀，鸟蛋的形态才如此多变。

下一个问题是，这些造型各异的蛋和鸟类的进化又有什么关系？

于是，研究者分析了不同蛋的形状与不同鸟类筑巢形式、筑巢位置、产卵数、饮食和飞行能力的联系。

不同种类鸟蛋的长度、不对称度和椭圆率对比。图片来源：Science

结果相当有意思，他们发现鸟类的飞行能力是影响鸟蛋形态的主要因素。众所周知，鸟类之所以能飞行，除了因为有轻巧的骨骼和有力的翅膀，身体的流线型也很重要。为了保持体型，善飞的鸟让蛋变得更不对称且更接近于椭球形。这样的话，雌鸟就能在不增加蛋宽度的前提下使鸟蛋的体积最大化，它们的输卵管也可以非常狭窄。

所以信天翁和蜂鸟虽然是两种截然不同的鸟类，但它们产下的蛋的形状却很相似（当然，尺寸差别很大），而且它们都是鸟类中的飞行高手。

下一步，研究者计划直接观察蛋的形成过程，并与模型作对比。另外还有一些有意思的问题没有解决，鸟蛋的外壳颜色与花纹更加多变，这又是怎么形成的呢？

这里小氘要强调一下，本文的结论强调的是鸟蛋形状和飞行能力的相关性，并不是因果关系。可以很轻松举几个例子：贵为新西兰国鸟的几维鸟（kiwi bird）的蛋呈椭球形，然后几维鸟并不会飞，甚至连翅膀都退化了……另一种不会飞的鸟类——企鹅，蛋的外形是不对称的。

生命科学

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