鸟儿是怎样进化出喙的？

一对相互融合的颚(左)在鸡胚中形成一个喙。然而，在抑制剂处理的鸡胚中，颌骨变圆并成对分开(中间)；这类似于短吻鳄的下颚(右)。

当鸟类长翅膀时，它们失去了恐龙亲属的爪子，但它们也进化出了新的“手指”——它们长在脸上。这真是一件好事:这些敏捷的喙有各种形状和大小，从鹈鹕的“大嘴”到蜂鸟的“针鼻”。喙帮助成千上万只从极地到赤道的鸟类生存和繁殖，使它们能够建造奇怪的窗帘并获取各种食物。

现在，研究人员可能已经确定了将古代动物的鼻子转变成鸟喙的基因。通过操纵这种基因表达的蛋白质，它们也许能够逆转进化的时钟，让发育中的鸡胚生长出与短吻鳄吻部结构相当的结构。“我们试图通过发展来解释进化，”哈佛大学进化发展生物学家阿哈特·阿布扎诺夫说，他和他的同事在今天的《进化》杂志上描述了这项工作。

然而，他们的结论与之前的研究相矛盾。但即使那些不同意这一结果的人也承认，阿布扎诺夫和他的学生巴特-安扬·布拉尔(现在是芝加哥大学的博士生)展示了一种强有力的新方法:使用化石来精确定位解剖结构的变化，然后通过调整遗传信号来尝试在实验室中重现这些变化。“这篇论文的价值在于它们可以整合古生物学和进化发育生物学，”加州大学旧金山分校(UCSF)的Richard Schneider说，他建立了鸟喙进化和不同基因之间的联系。

为了探索鸟类祖先的面孔是如何变化的，布拉尔研究了几十种恐龙化石、鸟类头骨、短吻鳄和其他爬行动物，从不同角度拍摄了100多张照片，用电脑将这些照片编辑成3D扫描文件，并进行比较。这种方法被称为几何形态计量学，可以精确测量不同动物之间在骨骼体积、形状和结构上的差异。

在古代爬行动物中，口鼻的顶部由一对小骨头组成，而在现代鸟类中，这些下颚细长且相互融合。阿布扎诺夫解释说，这形成了“一个有着惊人的脸的大骨头”——上喙。古代始祖鸟揭示了它们之间的过渡步骤:它的上颌骨没有被充分拉伸，但是在后来的鸟类中，上颌骨逐渐融合。其他研究也提到了嘴中前颌骨的进化。

因此，Bhullar寻找调节上颌骨发育的遗传途径的早期研究。对小鼠和鸡的研究揭示了两种信号途径:一种称为8(成纤维细胞生长因子8(Fg8))的基因在3天大的鸡胚前表面形成时被激活；然后，在成骨开始时，一种叫做WNT的基因帮助触发了面部中部的细胞增殖，并促进了那里上颌骨的扩张。相反，哺乳动物、蜥蜴、海龟和短吻鳄胚胎侧面的WNT基因活性最高。

为了研究这些基因的功能，Bhullar和Abzhanov用WNT和Fgf8蛋白抑制剂处理了鸟类胚胎。一旦这两条路径被很大程度上抑制，上颌就会变圆，不再融合——就像鸟类的恐龙亲戚一样，而不是又长又尖。

令他们惊讶的是，一块形成上牙弓的腭骨也发生了显著的变化。在许多脊椎动物中，这种骨头是扁平的，并与周围的骨头融合在一起。然而，这种鸟的颚骨更小，不再与周围环境联系在一起，这使得它的上喙可以*上升，并扩大了鸟喙的体积。经过抑制剂治疗后，鸡胚的腭骨看起来更像其他脊椎动物的颚骨:扁平的形状，似乎重新连接颚骨。阿布扎诺夫说，研究发现，Fg8和WNT信号的变化导致古代鸟类的头骨“向一个全新的方向进化”并形成喙。

然而，不是每个人都同意这个结论。2014年，UCSF的内森·扬、拉尔夫·马库西奥和施奈德对一系列脊椎动物胚胎的头骨进行了大量测量，还测量了鸟类面部发育过程中与其他脊椎动物分化的节点。这项工作和随后的实验支持了2009年马库西奥的观点，即另一种叫做SHH(音速刺猬)的基因对喙的形成至关重要。他说，与Ff8不同，SHH在鸟类胚胎的确切位置和时间被激活。

发育生物学家马尔库西奥也担心哈佛团队观察到的面部形状的变化可能是由他们使用的抑制剂引起的非特异性细胞死亡引起的。“将化石记录添加到研究中确实是重要的一步，但我认为他们走错了方向，”他说。Abzhanov和Bhullar反驳说，Fg8和SHH通常是共表达的，可能有协同作用，他们没有发现细胞过度死亡。

根据第三方的预测，关于鸟喙的争论不能很快解决。纽约市美国自然历史博物馆的进化生物学家乔尔·克拉克拉夫特说:“毫无疑问，在这些途径中涉及到许多基因，需要加以区分。”