中生代兽脚亚目动物(包括鸟类)前肢和后肢的形态差异。信用:王敏
据中国科学院：从祖先庞大的恐龙环境中组合出会飞的鸟的身体是进化生物学的一个持久话题。飞翔的鸟的身体平面图显示了身体尺寸的显著减小和前肢的成比例伸长。鉴于肢体和身体大小之间的比例关系，对前者的改变很可能被整个身体大小的改变所掩盖。
由于个体肢体元素的变化为自然选择提供了直接基础，因此它们对于理解从陆栖兽脚亚目恐龙向翼手目恐龙过渡的分支和谱系特异性进化模式至关重要。然而，很少有研究明确地探索了早期历史中特有的鸟类肢体结构的进化路径。
然而，现在，来自中国科学院古脊椎动物与古人类研究所(IVPP)的古生物学家报告了一项关于兽脚亚目恐龙-鸟类过渡时期肢体大小进化的详细科学研究。
这项研究发表在《自然生态与进化》杂志上。
通过量化形态差异和进化速率，研究人员发现了在鸟类起源附近向低差异的转变和减速的进化速率。这与传统智慧形成了鲜明对比，传统智慧认为像动力飞行这样的进化创新会引发并加速进化速度。这种比较性的统计分析表明，进化速率的降低可能主要归因于前肢进化的低差异和低速率。
中生代兽脚亚目动物(包括鸟类)前肢和后肢成分的进化速率和速率漂移。信用:王敏
“我们认为，前肢的进化一直受到动力飞行所需的基本‘蓝图’的限制，因此早期分化的鸟类可以实现的形态空间是有限的，”这项研究的首席和通讯作者王敏博士说。皇冠类群获得衍生的飞行相关肌肉骨骼特征可能打破了肢体比例的限制，从而最终导致了现存鸟类前肢的巨大差异。
根据该研究的共同作者周忠和博士的说法，“我们的分析揭示，在兽脚亚目恐龙历史上，类似鸟类的肢体比例在前肢比在后肢建立得更早，支持了‘胸部早-骨盆晚’假说。”
复原的差异模式和附肢进化的速度证明了早期的avialan bauplan是如何被动力飞行驱动的自然选择深深地塑造的。
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据中新网北京6月5日电(记者孙自法）：亿万年前的陆地霸主恐龙如何进化成为展翅蓝天的鸟？这无疑是脊椎动物演化史中最为“震撼”的事件，过程中涉及大量骨骼系统、肌肉系统和表皮衍生物等结构的变化，这些变化或是趋同、或是同源作用的结果，但多数都与飞行的起源相关。
中国科学院古脊椎动物与古人类研究所(中科院古脊椎所)王敏研究员与周忠和研究员最新完成的有关恐龙到鸟类演化过程研究发现，在其形态多样性和演化速率的深时变化方面，肢骨演化更慢，变化更小。
这一“恐龙到鸟”研究的重要成果论文，北京时间6月5日夜间在施普林格·自然旗下专业学术期刊《自然-生态与进化》(Nature Ecology& Evolution)上线发表。
论文第一作者和通讯作者王敏介绍说，“恐龙到鸟”演化过程中最为显著的就是以肢骨长度所代表的体型改变，例如从整体趋势看，在演化树上和鸟类关系更近的兽脚类恐龙有着相对更长的前肢。因此，系统地量化分析肢骨在鸟类起源过程中的动态演化轨迹，是认识“陆地奔跑的恐龙”成为“飞上蓝天的恐龙(鸟类)”这一重要转变的关键。
本项研究通过构建包含大量兽脚类恐龙和中生代鸟类肢骨的形态演化空间，以及量化鸟类、非鸟类副鸟类和非副鸟类兽脚类恐龙这三个类群的肢骨多样性，发现早期鸟类肢骨的整体多样性最低，非副鸟类兽脚类恐龙最高，类似的差异也反映在前肢上。不过，当研究对象聚焦于后肢时，差异就不明显。
研究人员又对包括鸟类在内的中生代兽脚类恐龙肢骨的演化速率进行估算，结果显示前后肢整体的演化速率在接近鸟类的起源节点时变慢，同样的趋势在前肢中也出现，但是在后肢的演化中却没有类似的变慢趋势。这说明演化速率在原始鸟类中的放缓，仍然是前肢作用的结果。
此次研究还对两个形态功能指标进行了量化分析，分别是反映飞行方式的臂指数和反映地栖能力的脚指数，仍然发现这两个指数在鸟类中都是最低的，演化速率在鸟类中也是相对更慢。
“上述研究的发现与演化生物学的常识大相径庭。”王敏指出，因为当某一种具有“演化革新”意味的特征(如上、下颌)或者形态功能(如飞行、咀嚼)在某一类群中出现时，通常认为该类群的演化速率会变快、多样性也会增加，因为这些“革新”会帮助生物进入新的生态位。对于这一现象，本项研究认为早期鸟类在肢骨形态上多样性的贫瘠，以及演化速率的降低，主要受前肢“拖累”，这是因为在飞行的选择作用下，原始鸟类的前肢只能够在适合空气动力学作用的框架下发生有限变化。换句话说，原始鸟类具有的“骨骼系统蓝图”在一些非鸟类兽脚类恐龙中就已经出现了。
王敏表示，随着许多和飞行相关的进步特征，包括和飞行精细动作完成相关的肌肉、韧带、骨骼的关节方式等在演化后期出现，前肢的变化才能突破“瓶颈”，最终演化出现代鸟类所呈现的形态多样的前肢结构。
他透露，本项研究还为学界此前提出的、在鸟类演化伊始“肩带演化在前，腰带在后”这一假说提供了量化数据的支持。
相关：从恐龙到鸟，为何演化变慢？
据中国科学报（胡珉琦）：生命演化史上有一些重要的节点事件，比如颌的出现，鱼类登上陆地，爬行动物飞上蓝天等等。过去，科学家理所当然地认为，当这类具有“演化革新”意味的特征或者形态功能在某一类群中刚刚出现时，该类群的演化速率会变快，多样性也会增加。原因是，这些“革新”能够帮助生物快速进入新的生态位。
中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员王敏一直从事早期鸟类演化研究，然而根据他所观察到的中生代鸟类化石标本却显示，刚飞上蓝天的早期鸟类的多样性似乎并不高。于是，他对演化生物学的这个“常识”重新进行了求证，而结果也确实与先前的认知大相径庭。6月5日，相关研究成果发表在了《自然—生态与进化》。
恐龙到鸟是脊椎动物演化史上最为震撼的事件之一，这一过程涉及了大量骨骼系统、肌肉系统和表皮衍生物等结构的变化，而这些变化多数都与飞行的起源相关。
“其中最关键的变化，就是以肢骨长度所代表的体型改变。”王敏介绍说，比如，从整体趋势看，在演化谱系中，和鸟类关系更近的兽脚类恐龙有着相对更长的前肢。
按照过去的猜想，早期鸟类的肢骨演化速率会比较快，整体多样性也应该比较高。可是，研究人员系统比较了鸟类、非鸟类副鸟类、和非副鸟类兽脚类恐龙这三个类群的肢骨多样性，发现早期鸟类肢骨的整体多样性竟然是最低的，而非副鸟类兽脚类恐龙是最高的，这种差异主要反映在前肢上。
研究人员又对包括鸟类在内的中生代兽脚类恐龙肢骨的演化速率进行了计算，结果也出现了相似的规律。前后肢整体的演化速率在接近鸟类的起源节点时反而是变慢了，而这种趋势在前肢上表现的最为明显。
如何解释早期鸟类在肢骨形态上多样性的贫瘠，以及演化速率的降低？
王敏认为，这一现象主要是受到鸟类前肢的“拖累”。“在早期鸟类演化中，飞行具有很强的自然选择作用。因此，原始鸟类的前肢只能够在适合空气动力学作用的框架下发生有限的变化。”
“随着许多和飞行相关的进步特征，例如和飞行精细动作完成相关的肌肉、韧带、骨骼的关节方式等在演化后期的出现，鸟类前肢的变化才能突破‘瓶颈’，最终演化出现代鸟类所呈现的形态多样的前肢结构。”
王敏举例，后期有一些高度特化的鸟类，比如鱼鸟和黄昏鸟，它们能够在海洋中进行“潜水”飞行，而这种独特的生活方式，跟它们细微的肌肉、韧带、骨骼的关节方式的演化密切相关，他们比早期鸟类更有能力突破肢骨带来的限制。
“当生物在获得了某种重要的特征、功能时，会对整个物种的发展产生巨大的促进作用。但这项研究告诉我们，我们还需要精细地区分，这种促进作用在不同的演化时间阶段所产生的影响是不同的。”王敏表示。
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据中国科学报（记者胡珉琦）生命演化史上有一些重要的节点事件，比如颌出现、鱼类登上陆地、爬行动物飞上蓝天等。过去，科学家理所当然地认为，当这类具有“演化革新”意味的特征或者形态功能在某一类群中刚刚出现时，该类群的演化速率会变快，多样性也会增加。原因是这些“革新”能够帮助生物快速进入新的生态位。
中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员王敏一直从事早期鸟类演化研究，然而根据他所观察到的中生代鸟类化石标本，刚飞上蓝天的早期鸟类的多样性似乎并不高。于是，他对演化生物学的这个“常识”重新进行了求证，而结果也确实与先前的认知大相径庭。相关研究6月5日发表于《自然-生态与进化》。
恐龙到鸟是脊椎动物演化史上最为震撼的事件之一，这一过程涉及大量骨骼系统、肌肉系统和表皮衍生物等结构的变化。“其中最关键的变化，就是以肢骨长度为代表的体形改变。”王敏介绍说，比如，从整体趋势看，在演化谱系中和鸟类关系更近的兽脚类恐龙有着相对更长的前肢。
按照过去的猜想，早期鸟类的肢骨演化速率会比较快，整体多样性也应该比较高。可是，研究人员系统比较了鸟类、非鸟类副鸟类及非副鸟类兽脚类恐龙这3个类群的肢骨多样性，发现早期鸟类肢骨的整体多样性竟然是最低的，而非副鸟类兽脚类恐龙是最高的，这种差异主要反映在前肢上。
研究人员又对包括鸟类在内的中生代兽脚类恐龙肢骨的演化速率进行了计算，发现了相似规律。前后肢整体的演化速率在接近鸟类起源节点时变慢了，而这种趋势在前肢上表现最为明显。
如何解释早期鸟类在肢骨形态上多样性的贫瘠，以及演化速率的降低？王敏认为，这一现象主要受到鸟类前肢的“拖累”。“在早期鸟类演化中，飞行具有很强的自然选择作用。因此，原始鸟类的前肢只能够在适合空气动力学作用的框架下发生有限的变化。随着许多和飞行相关的进步特征的出现，鸟类前肢的变化才能突破‘瓶颈’，最终演化出现代鸟类所呈现的形态多样的前肢结构。”
“当生物在获得了某种重要特征、功能时，会对整个物种发展产生巨大的促进作用。但这项研究告诉我们，还需要精细区分，因为这种促进作用在不同演化时期所产生的影响不同。”王敏表示。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41559-023-02091-z
