這個秘密的數(shù)學(xué)規(guī)則塑造了 2 億年的喙

鳥喙幾乎有各種形狀和大小——從蜂鳥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)存鳥類喙的生長和形狀。

更重要的是，這條規(guī)則甚至描述了鳥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).

通過根據(jù)這個數(shù)學(xué)規(guī)則研究喙，我們可以了解鳥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)情況下會打破這些規(guī)則。

當(dāng)自然遵循規(guī)則時

在生物學(xué)中尋找普遍規(guī)則是罕見且困難的——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)我們確實找到一條規(guī)則時，它是解釋我們在自然界中看到的模式的有力方法。我們的團(tuán)隊以前發(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，包括牙齒、角、蹄子、貝殼，當(dāng)然還有喙。

這個簡單的數(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 “功率級聯(lián)”。

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

恐龍不止一次地長出喙

大多數(shù)恐龍，如霸王龍，有一個強(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）根本沒有任何牙齒，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，牙齒都會脫落，鼻子在數(shù)百萬年的時間里伸展成喙?fàn)睢?/p>

但這些無可挑剔的恐龍群體中只有一個在 6600 萬年前的大規(guī)模滅絕事件中幸存下來。這些幸存者最終成為了我們現(xiàn)代的鳥類。

早起的鳥兒抓住了規(guī)則

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

通過計算機(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遵循權(quán)力級聯(lián)規(guī)則的齒狀鼻子。

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

規(guī)則遵循者和破壞者

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

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

雖然很少見，但我們研究的一些鳥類打破了規(guī)則。歐亞琵鷺就是這樣一種打破規(guī)則的動物，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)致它打破了這個常見的規(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)力級聯(lián)的真正信息量。大多數(shù)鳥喙都按照我們的規(guī)則生長，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打破力量級聯(lián)增長規(guī)則來捕捉它們特殊的“蠕蟲”。

既然我們知道大多數(shù)鳥類和恐龍的喙都遵循權(quán)力級聯(lián)，我們研究的下一個重要步驟是研究鳥喙如何從雛鳥長成成蟲。

如果權(quán)力級聯(lián)真的是鳥喙的基本生長規(guī)則，我們可能會發(fā)現(xiàn)它以許多其他形式隱藏在生命之樹上。

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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