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鸟蛋形态千奇百怪,原来和飞行能力有关?

编者按:
在维多利亚时代,欧洲博物学的兴起,造就了一批执着的“鸟人”,这些人爱鸟如命,为一睹罕见鸟种的真容,不惜跋山涉水,翻山越岭。也有很多人将观鸟的爱好转移至鸟蛋上,收藏奇奇怪怪的鸟蛋,虽然他们并不知道形态各异的鸟蛋后背的科学原理。近日,《科学》杂志以封面文章的形式,揭示了令鸟蛋收藏家痴迷的形态各异的鸟蛋,所蕴藏的生物学机理。
 
编译 | 郝春晖
责编 | 叶水送
 
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在脊椎动物的进化史上,离开海洋踏上陆地是一个标志性的事件。从那时起,脊椎动物利用自己卓越的运动能力探索着无垠的土地,将足迹印满整个星球。这一革命性事件的背后是,羊膜卵的进化为脊椎动物离开海洋提供了无限的可能。
 
 
正是由于羊膜卵的卵壳膜和蛋壳的保护作用,脊椎动物才得以在早期大陆恶劣的环境中产卵,而不用在海里产卵。物种从海洋到陆地的过程中,鸟蛋起到了关键作用。
 
3.6亿年后的今天,鸟蛋已进化出千姿百态,从棕猫头鹰近乎球形的蛋到鹬的泪滴形蛋,无论形状还是大小都极不相同。
 
为什么鸟类的蛋会进化出如此千奇百怪的形态;决定鸟蛋形态多样性的生物物理学机制是什么;鸟类自身又是如何影响蛋的形态?
 
为了回答上述问题,日前,一支由哈佛大学和普林斯顿大学的科学家领导的研究团队,利用数学、物理以及生物学等方法,为我们揭开了谜底。
 
这项研究是一个浩大的工程,研究人员共分析了49175枚鸟蛋的形态,它们隶属于37个目、1400个种,其中有2个鸟种现已灭绝。
 
研究人员发现,鸟蛋的形态变化是一个连续的变量,在不同物种中有所重叠,而且鸟蛋的形状与其飞行能力密切相关,这意味鸟类的飞行能力可能是鸟蛋形态多样性的重要驱动力。
 
确实是这样吗?
 
让我们暂且撇开飞行,先谈鸟蛋本身。维持蛋的形态,是卵壳膜还是蛋壳重要? 研究人员推断,卵壳膜更重要。这意味,如果蛋壳被醋等酸性液体溶解,卵壳膜依然可帮助蛋维持自身的形态。
 
那么问题又来了,卵壳膜是如何使蛋拥有如此多样的形态?想象一个气球,如果它由同一种材料构成且各处厚度一致,当它充满气体时,当然会是一个规则的球体。如果不是呢,它的形态就有可能发生改变。鸟蛋的不同形态正是源于此,由于卵壳膜厚度、组成成分的多变性,以及施加在其上压力的不均,蛋的形态才如此多变。
 
► 不同的鸟蛋,请比较飞行能力俱佳的蜂鸟和信天翁形状,图片来自sciencemag.com
 
找到问题的关键后,再让我们探究鸟类又是如何影响蛋的形态,即影响卵壳膜厚度不均的外力是什么。一开始研究人员试图建立蛋的形态与鸟类多种性状之间的联系,这些性状包括筑巢位置、鸟巢样式、窝卵数(单位时间内鸟类在巢里产卵的数量)、食性以及飞行能力等。
 
最终,研究人员的分析得出,飞行是影响鸟蛋形态的主要因素。为了维持适合飞行的平滑流线型体态,鸟类会产下更不对称且更接近椭球形的蛋,因为这样的蛋可在不增加宽度的同时最大化蛋的体积。
 
在鸟类学中一直有一个谜题:翼展可达3.5米的信天翁和体长只有10厘米左右的蜂鸟却拥有相似形态的蛋?根据上文分析,很容易得出结论,这是因为它们都是天生的优秀飞行家,拥有椭圆形和非对称形蛋,具有更强的飞行能力。鉴于此,这个谜题也就迎刃而解了。
 
相关文章:
Stoddard et al. Avian egg shape: Form, function,and evolution. Science. 2017.
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