【基礎科研】鳥類的演化

上一篇文章討論了中國學者在考古學的新發現，今天我來談談一項古生物學上的新成就，由一個龐大的國際學術聯盟執行，十天前一口氣發了29篇論文，其中8篇主要論文登在Science為它們出的一期特刊上，而最重要的核心論文的第一作者是一個很年輕的中國學者，叫做Zhang Guojie，2005年才從中國科學院昆明動物研究所拿到博士學位，現任深圳BGI（華大基因，原名北京華大基因研究中心，1999年在北京成立，後遷至深圳，是中國發展基因工程的主要管道，也是世界基因測序能力最高的機構。去年我在美國首屈一指的John Hopkins大學生物系問他們的系主任：光BGI一家就有全世界基因測序幾十個百分比的產能，美國的基因學術界怎麼競争？她說最近幾年的研究資金當然是個主要問題，不過生物系比起物理系或化學系還算好的。）的研究副主任。他們這次的大突破是依據大規模的基因分析，把鳥類的演化史搞清楚了。

Zhang Guojie（張國杰？他好像很喜歡只用他的英文名字；不過如果你的英文名字縮寫是Z，卻有118篇論文，其中有很多你是大合作群裡的第一作者，你大概也會喜歡只用英文），他看來還不到40歲，真是英雄出在少年（40歲以下，在學術界裡，的確算是少年）。

原本古生物學全靠分析比較化石上的遺傳特徵，尤其是骨頭和牙歯上的特徵。這當然是很不精確的，特别是自然界常有趨同演化（Convergent Evolution）的現象，針對同様的環境壓力難題，不同的物種會演化出同様的解法，所以往往連不同的化石是不是來自同一個物種，都有搞錯的可能，更别提建構可靠的演化樹（Evolutionary Tree，或稱系統發生樹，Phylogenetic Tree）了。因而人類發明基因分析之後，很快地就應用在古生物學上。不過基因分析也有它自己的問題：首先，當然只有現在還存活的物種（最近可以對Neanderthal和Woolly Mammoth作分析，但那是特例，僅限於幾萬年内有軟組織保存下來的極少數物種）才能提供基因；其次，基因分析必須對突變速度做假設，所以天生有統計不確定性；但是最大的毛病，是以往的基因分析又貴又慢，所以只能專注在很少數幾個（通常是10到20個）Allele（對偶基因）上，結果是一些偶發的巧合會造成錯誤的解讀，例如狗被馴化的過程就因此而反反覆覆，出現自相矛盾的不同說法。

BGI對世界基因測序的主要貢獻，就在於解決了以往基因分析又貴又慢的毛病。到今年，分析一個完整的基因組序列（Whole Genome Sequencing）已經降到低於一千美元（人類），時間則短於一個月（任何物種），這就開了對每個有需要的病人都做全基因組序列分析的大門，在未來幾年，對癌症和基因病變的患者，將有決定性的幫助。在基礎學術研究上，這次對鳥類演化的系統性分析是一個很好的範例。BGI把48個有代表性的鳥類物種的全基因組序列做了出來，然後分發給不同領域的專家來做詳細的比較。那八篇Science上的主要論文，依序討論了下列的結果：1）完整而精確的鳥類演化樹；2）鳥類的演化過程；3）鳥類發聲能力的演化；4）鳥類性基因的演化；5）鳥類是如何失去牙歯的；6）鱷魚（鱷魚是現存的動物中，與鳥類血緣最近的表親）的演化；7）腦部的發聲基因在鳥類和人類之間的趨同演化；8）做了這次演化樹大分析的軟體程式的介紹。

我個人對這次這麼多的新結果中，最感興趣的是第二篇論文。大家應該都知道鳥類是恐龍的後代，在6600萬年前小行星撞地所造成的白堊紀 - 第三紀滅絕事件（Cretaceous–Paleogene extinction event）中，75%的物種被滅絶了，包括所有非鳥類的恐龍。這次的研究發現只有三種鳥類在那個滅絕事件後存活了下來，分别是1）Galloanserae，即鶏、鴨、鹅等雉類的祖先，2）Paleognathae，即鴕鳥這些不會飛的鳥的祖先，3）Neoaves，所有其他的鳥類的祖先。有意思的是在滅絕事件剛結束後，其他大型動物都消失了，所以Neoaves的祖先當了好一段時間的頂級掠食者（Apex Predator）。頂級掠食者的生存壓力和其他的動物不一様，所以可以從基因裡讀出來。