现代鸟类起源于一群被称为兽脚亚目恐龙的双足恐龙，其成员包括高耸的霸王龙和较小的迅猛龙。与大多数现代鸟类相比，与鸟类最密切相关的兽脚亚目恐龙通常重达 100 到 500 磅——是巨大的生物——它们有又长又大的鼻子、大牙齿，而且头脑简单。例如，迅猛龙的头骨像郊狼一样，大脑大小大致相当于鸽子。
几十年来，古生物学家发现的鸟类和恐龙之间唯一的化石联系是始祖鸟，这是一种混合生物，长有羽毛翅膀，但却有恐龙的牙齿和长长的骨质尾巴。这些动物似乎只用了 1000 万年就获得了它们的鸟类特征——羽毛、翅膀和飞行能力，这在进化时间的长河中只是短暂的一瞬间。“始祖鸟似乎完全成熟地出现了，并具有现代鸟类的特征，”英国布里斯托大学的古生物学家迈克尔·本顿说。
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为了解释这种奇迹般的蜕变，科学家们提出了一个通常被称为“有希望的怪物”的理论。根据这个观点，重大的进化飞跃需要大规模的基因变化，这些变化在质量上与物种内部的常规修饰不同。故事是这样说的，只有在短时间内发生的如此重大的改变，才能解释从 300 磅重的兽脚亚目恐龙到麻雀大小的史前鸟类伊比利亚鸟的突然转变。
但现在越来越清楚的是，恐龙如何孕育鸟类的故事要微妙得多。发现表明，像羽毛这样的鸟类特有特征在鸟类进化之前很久就开始出现，这表明鸟类只是将许多预先存在的特征应用于新的用途。最近的研究表明，一些简单的变化——其中包括成年后采用更像婴儿的头骨形状——可能在最终推动鸟类进化中发挥了至关重要的作用。鸟类不仅比它们的恐龙祖先小得多，而且它们还与恐龙胚胎非常相似。诸如此类的适应可能为现代鸟类的突出特征铺平了道路，即它们的飞行能力和非常灵活的喙。这项工作证明了巨大的进化变化是如何由一系列小的进化步骤产生的。
虚幻的飞跃
在 20 世纪 90 年代，来自中国的大量新恐龙化石揭示了一个羽毛般的惊喜。虽然许多这些化石缺少翅膀，但它们却拥有各种各样的羽毛，从蓬松的刚毛到完全铰接的羽轴。这些新的中间物种的发现填补了零星的化石记录，引发了古生物学家对恐龙到鸟类过渡的观念的改变。羽毛曾经被认为是鸟类独有的，但一定在鸟类进化之前很久就在恐龙中进化出来了。
对这些化石进行的复杂的新分析，跟踪了结构变化并绘制了标本之间的关系，支持了鸟类特征在漫长的时间跨度内进化的观点。在去年秋天发表在《当代生物学》杂志上的研究中，苏格兰爱丁堡大学的古生物学家斯蒂芬·布鲁萨特和合作者检查了来自虚骨龙类的化石，虚骨龙类是产生始祖鸟和现代鸟类的兽脚亚目恐龙亚群。他们追踪了骨骼特性的数量随时间的变化，发现没有巨大的飞跃将鸟类与其他虚骨龙类区分开来。
“鸟类不是一夜之间从霸王龙进化而来的，而是鸟类的经典特征一个接一个地进化而来；首先是双足运动，然后是羽毛，然后是叉骨，然后是更复杂的羽毛，看起来像鹅毛笔羽毛，然后是翅膀，”布鲁萨特说。“最终的结果是恐龙和鸟类之间相对无缝的过渡，以至于你无法在这两个群体之间划出明确的界限。”
然而，一旦这些鸟类特征到位，鸟类就腾飞了。布鲁萨特对虚骨龙类的研究发现，一旦始祖鸟和其他古代鸟类出现，它们就开始比其他恐龙进化得更快。有希望的怪物理论几乎完全颠倒了：进化的爆发并没有产生鸟类。相反，是鸟类产生了进化的爆发。“看起来鸟类偶然发现了一种非常成功的新身体构造和新的生态类型——以小尺寸飞行——这导致了进化的爆发，”布鲁萨特说。
体型小的重要性
虽然大多数人可能会将羽毛或翅膀列为区分鸟类和恐龙的关键特征，但该群体的小体型也极其重要。新的研究表明，鸟类祖先的体型迅速缩小，表明小尺寸是一个重要且有利的特征，很可能是鸟类进化中必不可少的组成部分。
与其他鸟类特征一样，体型缩小可能在鸟类自身进化之前很久就开始了。去年发表在《科学》杂志上的一项研究发现，小型化过程开始的时间比科学家预期的要早得多。早在 2 亿年前，一些虚骨龙类就开始缩小体型——比始祖鸟出现早 5000 万年。那时，大多数其他恐龙谱系都在变得更大。“小型化是不寻常的，尤其是在恐龙中，”本顿说。
一旦鸟类祖先长出翅膀并开始尝试滑翔飞行，这种缩小速度就加快了。去年，本顿的团队表明，这个被称为近鸟龙类的恐龙谱系的缩小速度比其他恐龙谱系的生长速度快160 倍。“当其他恐龙变得越来越大、越来越丑陋时，这个谱系却悄悄地变得越来越小，”本顿说。“我们认为这标志着当时正在发生强烈的选择事件。”
快速的小型化表明，较小的鸟类一定比较大的鸟类具有强大的优势。“也许这种缩小正在开辟新的栖息地、新的生活方式，甚至与生理和生长的变化有关，”布鲁萨特说。本顿推测，当鸟类祖先迁移到树上时，体型小的优势可能就出现了，树木是食物和住所的有用来源。
但无论原因是什么，小体型很可能都是飞行的有用先决条件。虽然较大的动物可以滑翔，但由拍打翅膀驱动的真正飞行需要一定的翼展与重量之比。鸟类需要变得更小，然后才能在空中飞行超过短暂的滑翔。
婴儿脸
2008 年，哈佛大学的生物学家阿尔卡特·阿布扎诺夫深入研究了鳄鱼蛋。由于鳄鱼与恐龙有着共同的祖先，它们可以为鸟类提供有用的进化比较。（尽管外表如此，但鸟类与鳄鱼的亲缘关系比蜥蜴更近。）阿布扎诺夫正在研究鳄鱼的椎骨，但最让他震惊的是它们头部的鸟类形状；鳄鱼胚胎看起来非常像鸡。幼年恐龙的化石头骨显示出相同的模式——它们类似于成年鸟类。考虑到这两个观察结果，阿布扎诺夫有了一个想法。也许鸟类是从恐龙进化而来的，方法是在生命早期就阻止了它们的发育模式。
为了验证这个理论，阿布扎诺夫与纽约美国自然历史博物馆的古生物学家马克·诺雷尔、当时在阿布扎诺夫实验室攻读博士学位的巴特-安詹·布拉尔和其他同事一起，收集了来自全球各地的化石数据，包括始祖鸟等古代鸟类，以及在巢穴中死亡的发育中恐龙的化石蛋。他们追踪了头骨形状随着恐龙蜕变成鸟类而发生的变化。
随着时间的推移，他们发现，面部塌陷，眼睛、大脑和喙生长。“第一批鸟类几乎与迅猛龙的晚期胚胎完全相同，”阿布扎诺夫说。“现代鸟类变得更加像婴儿，并且与它们的胚胎形态相比变化更小。”简而言之，鸟类类似于可以繁殖的微小、幼稚的恐龙。
这个过程被称为幼态持续，是一种高效的进化途径。“它不是提出新的东西，而是利用你已经拥有的东西并对其进行扩展，”加州大学伯克利分校的发育生物学家尼帕姆·帕特尔说。
“我们越来越看到，进化的运作比我们以前认为的要优雅得多，”即将于秋季在耶鲁大学建立自己实验室的布拉尔说。“鸟类头骨的无数变化可能都归因于幼态持续，归因于早期胚胎中的一组分子变化。”
为什么幼态持续对鸟类的进化如此重要？它可能有助于推动小型化，反之亦然。体型变化通常与发育变化有关，因此对小体型的选择可能会阻止成年形态的发育。“缩短发育序列的一个简洁方法是在较小的尺寸停止生长，”本顿说。成年后像婴儿一样的头骨也可能有助于解释鸟类大脑尺寸的增加，因为婴儿动物的头部相对于身体通常比成年动物大。“提高大脑尺寸的一个好方法是将儿童尺寸保留到成年期，”他说。
（事实上，幼态持续可能是一些重大进化转变的基础，甚至可能是哺乳动物和人类的进化。我们相对于黑猩猩的大头骨可能是幼态持续的一个例子。）
更重要的是，幼态持续有助于使头骨成为一块空白的石板，选择可以在其上创造新的结构。通过消除鼻子，它可能为鸟类的另一个最重要特征——喙——铺平了道路。
喙的诞生
研究发生在进化时间深处的事情的问题在于，不可能确切地知道发生了什么。科学家永远无法精确地破译鸟类是如何从恐龙进化而来的，也无法破译哪组特征对这种转变至关重要。但随着进化、遗传学和发育生物学这三个领域的交叉，他们现在可以开始探索特定特征是如何产生的。
阿布扎诺夫特别感兴趣的领域之一是喙，这是一种非凡的结构，鸟类用它来寻找食物、清洁自己、筑巢和照顾幼鸟。他认为，鸟类的广泛成功不仅源于它们的飞行能力，还源于它们令人惊叹的喙的多样性。“现代鸟类在脸上进化出了一对手指，”他说。
凭借他们对鸟类进化的深刻见解，阿布扎诺夫、布拉尔和合作者已经能够深入研究帮助形成喙的遗传机制。在新的研究中，研究人员上个月在进化杂志上发表文章，表明只需进行一些小的基因调整就可以将鸟脸变成类似于恐龙的脸。
在现代鸟类中，两块被称为前颌骨的骨头融合在一起成为喙。这种结构与恐龙、鳄鱼、古代鸟类和大多数其他脊椎动物的结构截然不同，在这些动物中，这两块骨头仍然是分开的，形成了鼻子。为了弄清楚这种变化是如何产生的，研究人员绘制了在各种动物（鳄鱼、鸡、小鼠、蜥蜴、海龟和鸸鹋，一种让人想起古代鸟类的活物种）的这些骨骼中表达的两个基因的活性图谱。
他们发现爬行动物和哺乳动物有两个活性区域，一个在鼻腔发育的每一侧。另一方面，鸟类有一个更大的单一区域，横跨面部前部。研究人员推断，鳄鱼模式可以作为恐龙模式的代表，因为它们具有相似的鼻子和前颌骨。然后，研究人员使用化学物质阻断面部中间的基因，从而在鸡胚胎中逆转了鸟类特有的基因表达模式。（出于伦理原因，他们没有让小鸡孵化。）
结果：经过处理的胚胎发育出了更像恐龙的面部。“它们基本上将鸟类胚胎培育成更像已灭绝恐龙形态的东西，”德克萨斯大学奥斯汀分校的古生物学家蒂莫西·罗说，他之前曾与阿布扎诺夫合作过。
这些发现突显了简单的分子调整如何引发重大的结构变化。阿布扎诺夫说，鸟类“以一种新的方式使用现有工具来创造一个全新的面孔”。“它们没有进化出新的基因或通路，它们只是改变了对现有基因的控制。”
与布鲁萨特和其他人的研究一样，阿布扎诺夫的工作挑战了有希望的怪物理论，并且是在基因规模上这样做的。喙的创造不需要一些特殊的进化飞跃或大规模的基因变化。相反，阿布扎诺夫表明，塑造微观进化的相同力量——物种内部的微小变化——也驱动着宏观进化，即全新特征和新物种群体的进化。
具体来说，基因调控方式的微小变化可能驱动了最初喙的创造（喙进化了数百万年），以及鸟类喙的多样化形状（鸟类喙的多样化形状可以在 几代人的时间内发生变化）。“我们表明，简单的调控变化可以产生重大影响，”阿布扎诺夫说。
布拉尔和阿布扎诺夫计划更深入地研究喙和鸟类头骨是如何进化的，使用相同的方法来操纵头骨和大脑发育的不同特征。“我们才刚刚开始这项工作，”布拉尔说。
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