演化的時空包巾-發育生物學與古生物學如何合作解謎

Storyteller/Lereage

恐龍與鳥的恩恩怨怨,對古生物學家或是演化學家來說,一直有個故事流傳著:赫胥黎(Thomas Henry Huxley),19世紀的英國生物學家,畢生致力為達爾文的演化論辯護。有一次他在晚餐時,發現正在吃的火雞,其骨骼結構與早上實驗室內看到的恐龍化石骨骼是如此類似!因此開啟了「恐龍和鳥類之間存在一定親源關係」的假說。直到近數十年來於中國發現的帶羽毛恐龍化石,終於證實了恐龍與鳥之間的親緣關係。也就是說,當你在吃火雞時,其實是在吃一隻小恐龍?!

恐龍與鳥如此高的相似性,表現在頭骨結構或是腿骨結構上,但仍有差異。舉三個例子來說,(一)鳥有完全縫合且突出的前上顎骨(就是我們俗稱的鳥嘴,如圖一正常雞胚胎所示),鱷類卻相對鈍頭。(二)鳥類的拇指是向後的,與恐龍向前不同。(三)小腿兩個骨骼-脛骨與腓骨,鳥類的腓骨遠比脛骨短,但恐龍確是差不多長度。

因此開始有科學家嘗試利用基因調控的方式,去修改雞胚胎發育的過程。實驗結果赫然發現,只要幾個簡單的調控,就可以讓「雞腿」像「恐龍腿」、「雞爪」像「恐龍爪」、「雞頭骨」像「恐龍頭骨」!

如何讓雞的胚胎變得像恐龍呢?從2015年四月一篇發表於「Evolution」期刊上的文章,詳細描述了如何利用基因抑制,使原本在不同時間作用於胚胎發育的兩種基因表現的訊息傳遞系統關閉,進而使前上顎骨(premaxilla,又稱門齒骨)不發育,便可使雞的嘴喙不延長,進而變得非常像其祖先迅猛龍的口喙!第一種訊息傳遞系統主要作用在FEZ(額鼻外皮區,存在於第三天的雞胚胎,負責產生前上顎骨),由Fgf8與Shh兩基因表現;另外一個訊息傳遞系統則是根據WNT路徑(WNT是一種蛋白質作用網,在額鼻突出區作用,促進骨骼生成使前上顎骨突出延長)。

鳥類、恐龍、與鱷類在嘴喙骨骼結構上差異極大(圖一),鱷類與龜類的前上顎骨短小,但鳥類的前上顎骨明顯發育延長。因此Bhullar等人嘗試利用抑制子(可產生停止基因表現或是阻礙訊息傳遞的蛋白質)來控制發育中雞胚胎的FEZ與WNT,實驗結果顯示,越高程度的抑制,會使雞胚胎的嘴喙形狀越像鱷類的嘴喙,有如「演化反轉」一般(圖二)。

除了前上顎骨的變化外,Bullar等人也發現,顎骨也有相對應的變化。鱷類的顎骨較短,而鳥類的顎骨細長成勾狀。訊息傳遞系統關閉的結果,使得受調控雞胚胎的顎骨型態近似於恐龍的顎骨(圖三)。 

圖一、由左至右分別為正常發育的雞胚胎、抑制基因表現的實驗雞胚胎、以及鱷類的胚胎。(修改自Bhullar et al., 2015)

圖二、由上至下分別為成體的龜類、鱷類、鴯鶓、以及雞的嘴喙構造比較。可看出演化的趨勢大致上是逐漸加長嘴喙。(引用自Bhullar et al., 2015)

圖三、由左至右分別為雞胚胎的顎骨(紅色部分)、實驗組的雞胚胎顎骨、以及恐龍的顎骨。(修改自Bhullar et al., 2015)

此研究結合了古生物學、實驗發育生物學、與比較解剖學等學門,提供古生物學或演化生物學一個嶄新的方向。但也有學者質疑,Bhullar等人利用化學藥物方式調控胚胎嘴喙發育的Fgf8Lef1基因,所使用的化學藥物是具有毒性的,因此實驗結果觀察到的未發育出嘴喙的雞胚胎,單純只是死掉的組織,而不代表演化的反轉。但科學實驗乃在於提供一個新的方向、新的議題,未來期待有更多此類有趣的「整合性研究」!

就在雞頭骨研究同時,有另一群科學家把眼光放在了鳥類的趾部,多數的鳥類具有可向後指的拇指,使他們能夠抓物(圖四)。然而與鳥類親緣相近的恐龍,其拇指卻無法後指。因此在恐龍與鳥類之間,蹠骨的長軸可能發生過反轉。因此Botelho等人利用藥物停止雞形目胚胎的生長,藉以觀察第一蹠骨如何產生反轉,同時解釋蹠骨與趾骨的演化歷程。

圖四、(a)艾雷拉龍的掌部。(b)異特龍的掌部。(c)始祖鳥的掌部。(d)近孵化的雞胚胎掌部。(e) 近孵化的雞胚胎掌部特寫。(修改自Botelho et al., 2015)

 

圖五、(a)組織染色後的鵪鶉胚胎。(b)背側與側面的組織染色照片,顯示出拇指方向的改變(紅框圈起處)。(c)由背側觀察的拇指細部放大照片。(d)由側面觀察的拇指細部放大照片。(修改自Botelho et al., 2015)

繼雞胚胎的掌部後,Botelho等人今年又再次「玩」了現生鳥類的腓骨。鳥類的腓骨有兩項特徵:(1)在遠端(遠離身體中心處)縮小,形成像刺一般的構造,且(2)長度比脛骨短(腓骨是小腿外側骨頭、而脛骨位於內側)。他們發現現生鳥類的腓骨之所以遠端會縮小,是因為在遠端有IHH基因表現,使軟骨增生終止;同時也缺少副甲狀腺相關蛋白(PTHrP),這種蛋白是發展出增生生長板的必要蛋白。實驗關閉了IHH基因的表現,使得雞胚胎保留著平板狀的腓骨,長度與脛骨等長且連接到踵骨(即腳踝),使得實驗的雞胚胎腿部就像恐龍一樣。

他們也發現,實驗的雞胚胎,其脛骨明顯的短很多,說明腓骨連接到踵骨上是因為脛骨停止生長(圖六)。他們將實驗所觀察的結果,結合化石觀察的結論,發現中生代鳥類化石的腓骨一樣遠端縮小,但是長度與脛骨差不多(圖七)。這說明了兩個特徵在演化上的順序,腓骨的遠端縮小先發生,爾後才發生腓骨與脛骨長度的差異。

結論就是,白堊紀與恐龍共舞的有齒鳥類,演化出縮小的腓骨,這些縮小的腓骨無法連接到腳踝,但跟脛骨差不多長。也就是說,腓骨的縮小,使得後來的脛骨比腓骨大上許多。

圖六、由A至D分別代表不同發育階段的控制組與實驗組胚胎。可觀察到實驗組的腓骨(較細的紅色骨骼)遠比控制組的長。(修改自Botelho et al., 2016)

 

圖七、綠圈代表腓骨;黃色代表踵骨;灰色區域代表腓骨遠端縮小的種類;黑色箭頭表示腓骨遠端的位置。(修改自Botelho et al., 2016)

本篇整理的各項研究,都是以胚胎的發育生物學做為基礎,加入比較解剖學與古生物學的觀察,進而引導出演化生物學新的篇章,這些作者雖然都聲稱並不打算製造出「雞龍(chickenosaurus)」,然而,整合性研究的發展,的確大大振奮了古生物學界,並帶起另一波研究的高潮。

 

參考資料:

João Francisco Botelho, Daniel Smith-Paredes, Sergio Soto-Acuña, Jorge Mpodozis, Verónica Palma, Alexander O. Vargas. Skeletal plasticity in response to embryonic muscular activity underlies the development and evolution of the perching digit of birds. Scientific Reports, 2015; 5: 9840 DOI: 10.1038/srep09840

João Francisco Botelho, Daniel Smith-Paredes, Sergio Soto-Acuña, Jingmai O’Connor, Verónica Palma, Alexander Vargas. Molecular development of fibular reduction in birds and its evolution from dinosaurs. Evolution, 2016; DOI: 10.1111/evo.12882

Bhart-Anjan S. Bhullar, Zachary S. Morris, Elizabeth M. Sefton, Atalay Tok, Masayoshi Tokita, Bumjin Namkoong, Jasmin Camacho, David A. Burnham, Arhat Abzhanov. A molecular mechanism for the origin of a key evolutionary innovation, the bird beak and palate, revealed by an integrative approach to major transitions in vertebrate history. Evolution, 2015; DOI: 10.1111/evo.12684