為什么一些鳥類發(fā)育得快？

到了初夏，鳥類進(jìn)入了育雛季節(jié)，對于森林中嗷嗷待哺的雀形目雛鳥，它們需要父母20多天的喂食和照顧才能獨(dú)立生活。而對于水邊繁殖的鴨雁、鸻鷸類，幼鳥一出殼就可以自己活動和覓食。所有生物都面臨著繁殖與生存之間的權(quán)衡（trade-off），它們以不同的方式解決了這一問題。

你是不是有這樣的體會，鳥類的生長、發(fā)育、繁殖和壽命的時(shí)長在不同類群的差別很大。如果你這個(gè)時(shí)候走進(jìn)森林，或許能夠聽到還在鳥巢里面嗷嗷待哺的雀形目雛鳥（晚成鳥），它們需要父母20多天的喂食和照顧才能獨(dú)立生活（這個(gè)時(shí)候我們看到了落巢的幼鳥該怎么辦呢？點(diǎn)擊參見推鳥文章）。如果我們走近到水邊，可以看到??類、鴨雁類、鸻鷸類的幼鳥（早成鳥），一出殼就可以水里游、滿地跑了。

2011年3月，這個(gè)環(huán)志標(biāo)記為“Z333”的雌性漂泊信天翁“智慧”和她的后代。拍攝者：John Klavitter/U. S. Fish and Wildlife Service 來自：維基百科

科學(xué)家們關(guān)注的問題是：為什么鳥類的生長、發(fā)育、繁殖和壽命時(shí)長在不同鳥類類群的差別很大，到底是受什么因素影響的呢？近期來自英國謝菲爾德大學(xué)的一項(xiàng)新研究發(fā)表在《自然通訊（Nature Communications）》，這個(gè)是第一個(gè)考慮生活方式和環(huán)境因素以及進(jìn)化歷史和體型大小來解釋這種變化重要性的研究?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，體型的大小，安全性和育雛鳥方式都會影響鳥類個(gè)體生長發(fā)育的速度，這可以幫助科學(xué)家理解和預(yù)測動物對氣候變化和生境破壞的響應(yīng)。

之前的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)：鳥類和哺乳動物的體重與最大壽命之間的關(guān)系。剪影突出顯示了壽命長于或短于給定物種的物種。這些物種是（A）布氏蝙蝠（Myotis brandtii）；（B）裸鼠（Heterocephalus glaber）；（C）安第斯禿鷹（Vultur gryphus）；（D）非洲象（Loxodonta Africana）；（E）鴯鹋 （Dromaius novaehollandiae）；（F）巴布亞森林小袋鼠（Dorcopsulus macleayi）；（G）斑魚狗（Ceryle rudis）；（H）林鼩鼱（Myosorex varius）?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)動物的體重大小與其壽命呈正相關(guān)（藍(lán)色虛線代表鳥類、紅色的虛線代表哺乳動物）。也就是說體重越大的鳥，壽命越長，反之亦然（來自文獻(xiàn)1）。

這項(xiàng)研究的主要作者、謝菲爾德大學(xué)動物與植物科學(xué)系的克里斯·庫尼（Chris Cooney）博士說：“在整個(gè)動物界，一個(gè)受精卵發(fā)育成一個(gè)成年個(gè)體所花費(fèi)的時(shí)間差異很大。例如，一頭幼象需要近10年的時(shí)間才能獨(dú)立生活，而果蠅僅需一周的時(shí)間就能完全成年?！斑@些差別很大的發(fā)育方式也存在于鳥類中。比如：信天翁從胚胎發(fā)育到一個(gè)獨(dú)立的成年鳥可能需要大約一年的時(shí)間。而在英國后院花園生活的這些常見雀形目鳥類則需要一個(gè)多月的時(shí)間就可以獨(dú)立的生活。我們發(fā)現(xiàn)這些物種的生活方式和自然環(huán)境可以解釋發(fā)育方式的差異。”

鳥類發(fā)育階段的持續(xù)時(shí)間圖例：a 個(gè)體發(fā)育的四個(gè)不同階段，分別對應(yīng)于漢堡-漢密爾頓（Hamburger–Hamilton stages ）階段（HH）胚胎1-24天和25-32天。階段1和階段2代表了主要與胚胎發(fā)生（即非生長）相關(guān)的發(fā)育階段。第3階段（從HH33到孵化）和第4階段（孵化后的雛鳥期）對應(yīng)于主要由生長組成的發(fā)育時(shí)期。b 條形圖顯示了20種鳥類的第1至第4階段的時(shí)長，以及有關(guān)胚胎發(fā)育階段的時(shí)間等信息，其中物種按總發(fā)育持續(xù)時(shí)間排序。物種名稱旁邊的彩色符號對應(yīng)了它們的系統(tǒng)分類學(xué)分組（與下面第二張圖對應(yīng)）。插圖顯示分級數(shù)據(jù)和擬合曲線，用于估計(jì)發(fā)育階段1-3的時(shí)間點(diǎn)。插圖展示了四個(gè)階段中每個(gè)階段所占的變異系數(shù)（CV）和總發(fā)育期長度的百分比（％），來自參考文獻(xiàn)2。

研究小組第一個(gè)主要發(fā)現(xiàn)是：體重大的物種平均需要比小的物種發(fā)育更長的時(shí)間。這個(gè)事實(shí)并不令人驚訝，體長與發(fā)育長度之間的正相關(guān)似乎是整個(gè)動物界的普遍生物學(xué)規(guī)則（如果我們考慮大象和果蠅）。這表明異速生長和代謝差異等生物學(xué)規(guī)則是決定發(fā)育長度的重要因素。但是，盡管體型很重要，即使在相似大小的鳥類中，發(fā)育時(shí)間仍會有所不同。例如，斑尾林鴿（Columba palumbus）的雛鳥平均需要48天才能獨(dú)立生活，而類似大小的倉鸮（Tyto alba）則需要80天以上。實(shí)際上，在控制了鳥類之間的進(jìn)化史之后，我們的估計(jì)表明，物種間發(fā)育持續(xù)時(shí)間差異的僅22％是由于體型差異所致。顯然，其他因素也必須發(fā)揮作用。

動物物種從受精卵發(fā)育為成體所需的時(shí)間差異很大。 例子：果蠅（Drosophila sp.）2周； 非洲象（Loxodonta sp.）10年； 信天翁（Diomedea sp.）1年； 藍(lán)山雀（Cyanistes caeruleus）1個(gè)月； 斑尾林鴿48天； 倉鸮80天。 [圖片來源：M.Garlovsky（Drosophila pseudoobscura）以及來自Pixabay的所有其他圖片。] （參考文獻(xiàn)3）

這些其他因素是什么呢？研究者發(fā)現(xiàn)，物種的生活方式和某些環(huán)境因素對于解釋發(fā)育時(shí)長的（即與質(zhì)量無關(guān)）變異也很重要。相對安全的環(huán)境（例如在孤立的島嶼或無法接近的巢穴中）繁殖和發(fā)育的鳥類需要更長的發(fā)育時(shí)間，這可能是因?yàn)樗鼈兛梢栽诎踩沫h(huán)境中度過更長的幼年期。其次，物種何時(shí)繁殖的壓力也很重要。例如，遷徙物種的后代發(fā)展相對較快，大概是為了確保它們準(zhǔn)備在夏季末與父母一起返回冬季棲息地。最后，所有生物都面臨繁殖與生存之間的權(quán)衡，不同物種以不同方式解決該問題。鳥類也不例外，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)采用“發(fā)育得快卻死得早”策略的物種發(fā)育速度會更快，這很可能使它們能夠在短時(shí)間內(nèi)獲得最大數(shù)量的后代。當(dāng)然，一個(gè)不容忽視的影響因素是鳥類的系統(tǒng)演化的規(guī)律，也許類群之間的差異藏在鳥類更古老的進(jìn)化歷史中。

發(fā)育持續(xù)時(shí)間隨鳥類的體型增加而增加。但是，在考慮了鳥類之間的進(jìn)化關(guān)系之后，我們發(fā)現(xiàn)，體重僅僅解釋了發(fā)育持續(xù)時(shí)間22%的變化。盡管仍然是重要的預(yù)測指標(biāo)，體重在確定鳥類發(fā)育時(shí)期的方面，顯然比以前認(rèn)為的作用要小得多。圖片來源：C.Cooney （參考文獻(xiàn)3）

“對鳥類的研究也為我們提供了探究影響其他物種中發(fā)育模式變化因素的一些線索。但是，不同的因素對于確定其他動物群的發(fā)育周期也很重要。” 另一位來自謝菲爾德大學(xué)研究的合著者阿里森·萊特（Alison Wright）博士說?！耙虼?，下一步研究計(jì)劃就是使用涵蓋整個(gè)動物界代表類群的數(shù)據(jù)（從魚類到哺乳動物再到昆蟲）來解決這些問題，以便更深入地了解構(gòu)成物種之間這些根本差異的因素?！?/p>

發(fā)育了八天后的斑胸草雀（Taeniopygia guttata）胚胎。 斑胸草雀和許多其他雀形目胚胎僅發(fā)育兩周后就孵化了，而其他鳥類則需要在卵內(nèi)發(fā)育一個(gè)多月。 圖片來源：N.Hemmings（參考文獻(xiàn)3）

這項(xiàng)研究表明鳥類的發(fā)育時(shí)間是受到多種因素影響的，包括生物體的生活方式和分布以及身體大小所施加的約束?？傮w而言，這些發(fā)現(xiàn)還強(qiáng)調(diào)了有機(jī)體與環(huán)境之間關(guān)系的互作。這個(gè)研究的領(lǐng)導(dǎo)者，謝菲爾德大學(xué)研究的尼古拉·海明斯（Nicola Hemmings）博士說：“我們居住的星球正經(jīng)歷著氣候變暖和生境變化，因此這項(xiàng)研究對于理解甚至預(yù)測生物體在外界環(huán)境條件變化時(shí)的響應(yīng)至關(guān)重要。”

參考文獻(xiàn)：1.Healy, K., Guillerme, T., Finlay, S., Kane, A., Kelly, S. B., McClean, D., ... & Cooper, N. (2014). Ecology and mode-of-life explain lifespan variation in birds and mammals. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 281(1784), 20140298.

2.Cooney, C. Catherine Sheard, Andrew D. Clark, Susan D. Healy, András Liker, Sally E. Street, Camille A. Troisi, Gavin H. Thomas, Tamás Székely, Nicola Hemmings and Alison E. Wright, 2020. Ecology and allometry predict the evolution of avian developmental durations, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-020-16257-x

3.https://natureecoevocommunity.nature.com/users/399242-christopher-cooney/posts/developing-ideas-about-development

文章來源：推鳥

編輯：Pierre