鳥(niǎo)喙幾乎有各種形狀和大小——從蜂鳥(niǎo)的稻草狀喙到鷹的切片刀狀喙。

然而，我們發(fā)現(xiàn)，這種令人難以置信的多樣性是由一個(gè)隱藏的數(shù)學(xué)規(guī)則支撐的，該規(guī)則控制著幾乎所有現(xiàn)存鳥(niǎo)類喙的生長(zhǎng)和形狀。

更重要的是，這條規(guī)則甚至描述了鳥(niǎo)類早已逝去的祖先中的喙形狀——恐龍.我們很高興分享我們的發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)已發(fā)表在雜志上科學(xué).

通過(guò)根據(jù)這個(gè)數(shù)學(xué)規(guī)則研究喙，我們可以了解鳥(niǎo)類和其他恐龍的面孔是如何在 2 億年中進(jìn)化的。我們還可以找出為什么在極少數(shù)情況下會(huì)打破這些規(guī)則。

當(dāng)自然遵循規(guī)則時(shí)

在生物學(xué)中尋找普遍規(guī)則是罕見(jiàn)且困難的——似乎很少有物理定律在所有生物體中如此普遍的例子。

但是當(dāng)我們確實(shí)找到一條規(guī)則時(shí)，它是解釋我們?cè)谧匀唤缰锌吹降哪Ｊ降挠辛Ψ椒?。我們的團(tuán)隊(duì)以前發(fā)現(xiàn)了生物學(xué)的新規(guī)則這解釋了許多尖銳結(jié)構(gòu)的形狀和生長(zhǎng)，包括牙齒、角、蹄子、貝殼，當(dāng)然還有喙。

這個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)規(guī)則捕捉了尖頭結(jié)構(gòu)（如喙）的寬度如何從尖端擴(kuò)展到底部。我們稱此規(guī)則為 “功率級(jí)聯(lián)”。

在這次發(fā)現(xiàn)之后，我們對(duì)功率級(jí)聯(lián)如何解釋鳥(niǎo)的形狀和其他恐龍喙。

恐龍不止一次地長(zhǎng)出喙

大多數(shù)恐龍，如霸王龍，有一個(gè)強(qiáng)壯的鼻子和尖尖的牙齒。但是一些恐龍（比如類似鴯鹋的恐龍埃德蒙頓鳥(niǎo)）根本沒(méi)有任何牙齒，而是有喙。

在獸腳亞目中，這群恐龍霸王龍屬于，喙至少進(jìn)化了六次。每一次，牙齒都會(huì)脫落，鼻子在數(shù)百萬(wàn)年的時(shí)間里伸展成喙?fàn)睢?/p>

但這些無(wú)可挑剔的恐龍群體中只有一個(gè)在 6600 萬(wàn)年前的大規(guī)模滅絕事件中幸存下來(lái)。這些幸存者最終成為了我們現(xiàn)代的鳥(niǎo)類。

早起的鳥(niǎo)兒抓住了規(guī)則

為了研究生長(zhǎng)的權(quán)力級(jí)聯(lián)規(guī)則，我們研究了 127 種獸腳亞目恐龍。我們發(fā)現(xiàn) 95% 的獸腳亞目動(dòng)物喙和鼻子都遵循這條規(guī)則。

通過(guò)計(jì)算機(jī)建模使用最先進(jìn)的進(jìn)化分析，我們證明了祖先獸腳亞目恐龍很可能有一個(gè)遵循權(quán)力級(jí)聯(lián)規(guī)則的齒狀鼻子。

令人興奮的是，這表明權(quán)力級(jí)聯(lián)不僅描述了獸腳亞目恐龍的喙和鼻子的生長(zhǎng)，而且可能描述了所有脊椎動(dòng)物的鼻子：哺乳動(dòng)物、爬行動(dòng)物和魚(yú)類。

規(guī)則遵循者和破壞者

在大滅絕中幸存下來(lái)后，鳥(niǎo)類經(jīng)歷了一段令人難以置信的變化時(shí)期。鳥(niǎo)類現(xiàn)在生活在世界各地，它們的喙以非常特殊的方式適應(yīng)每個(gè)地方。

我們看到喙的形狀用于吃水果、網(wǎng)捕昆蟲(chóng)、刺穿和撕裂肉，甚至啜飲花蜜。大多數(shù)都遵循 Power Cascade 增長(zhǎng)規(guī)則。

雖然很少見(jiàn)，但我們研究的一些鳥(niǎo)類打破了規(guī)則。歐亞琵鷺就是這樣一種打破規(guī)則的動(dòng)物，它高度專業(yè)化的喙形狀有助于它在泥漿中篩選以捕捉水生生物。也許它獨(dú)特的喂養(yǎng)方式導(dǎo)致它打破了這個(gè)常見(jiàn)的規(guī)則。

我們一點(diǎn)也不為像琵鷺這樣的違反規(guī)則的人感到不安。相反，這進(jìn)一步凸顯了權(quán)力級(jí)聯(lián)的真正信息量。大多數(shù)鳥(niǎo)喙都按照我們的規(guī)則生長(zhǎng)，這些喙可以滿足大多數(shù)喂食方式。

但偶爾，像琵鷺這樣的怪人會(huì)打破力量級(jí)聯(lián)增長(zhǎng)規(guī)則來(lái)捕捉它們特殊的“蠕蟲(chóng)”。

既然我們知道大多數(shù)鳥(niǎo)類和恐龍的喙都遵循權(quán)力級(jí)聯(lián)，我們研究的下一個(gè)重要步驟是研究鳥(niǎo)喙如何從雛鳥(niǎo)長(zhǎng)成成蟲(chóng)。

如果權(quán)力級(jí)聯(lián)真的是鳥(niǎo)喙的基本生長(zhǎng)規(guī)則，我們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)它以許多其他形式隱藏在生命之樹(shù)上。

凱瑟琳·加蘭， 博士生， 生物科學(xué)學(xué)院，莫納什大學(xué)和阿利斯泰爾·埃文斯， 生物科學(xué)學(xué)院教授，莫納什大學(xué)

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