這個秘密的數學規則塑造了 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，我們發現，這種令人難以置信的多樣性是由一個隱藏的數學規則支撐的，該規則控制著幾乎所有現存鳥類喙的生長和形狀。

更重要的是，這條規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現，現已發表在雜志上科學.

通過根據這個數學規則研究喙，我們可以了解鳥類和其他恐龍的面孔是如何在 2 億年中進化的。我們還可以找出為什么在極少數情況下會打破這些規則。

當自然遵循規則時

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

但是當我們確實找到一條規則時，它是解釋我們在自然界中看到的模式的有力方法。我們的團隊以前發現了生物學的新規則這解釋了許多尖銳結構的形狀和生長，包括牙齒、角、蹄子、貝殼，當然還有喙。

這個簡單的數學規則捕捉了尖頭結構（如喙）的寬度如何從尖端擴展到底部。我們稱此規則為 “功率級聯”。

在這次發現之后，我們對功率級聯如何解釋鳥的形狀和其他恐龍喙。

恐龍不止一次地長出喙

大多數恐龍，如霸王龍，有一個強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，喙至少進化了六次。每一次，牙齒都會脫落，鼻子在數百萬年的時間里伸展成喙狀。

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

早起的鳥兒抓住了規則

為了研究生長的權力級聯規則，我們研究了 127 種獸腳亞目恐龍。我們發現 95% 的獸腳亞目動物喙和鼻子都遵循這條規則。

通過計算機建模使用最先進的進化分析，我們證明了祖先獸腳亞目恐龍很可能有一個遵循權力級聯規則的齒狀鼻子。

令人興奮的是，這表明權力級聯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。

規則遵循者和破壞者

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

我們看到喙的形狀用于吃水果、網捕昆蟲、刺穿和撕裂肉，甚至啜飲花蜜。大多數都遵循 Power Cascade 增長規則。

雖然很少見，但我們研究的一些鳥類打破了規則。歐亞琵鷺就是這樣一種打破規則的動物，它高度專業化的喙形狀有助于它在泥漿中篩選以捕捉水生生物。也許它獨特的喂養方式導致它打破了這個常見的規則。

我們一點也不為像琵鷺這樣的違反規則的人感到不安。相反，這進一步凸顯了權力級聯的真正信息量。大多數鳥喙都按照我們的規則生長，這些喙可以滿足大多數喂食方式。

但偶爾，像琵鷺這樣的怪人會打破力量級聯增長規則來捕捉它們特殊的“蠕蟲”。

既然我們知道大多數鳥類和恐龍的喙都遵循權力級聯，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。

如果權力級聯真的是鳥喙的基本生長規則，我們可能會發現它以許多其他形式隱藏在生命之樹上。

凱瑟琳·加蘭， 博士生， 生物科學學院，莫納什大學和阿利斯泰爾·埃文斯， 生物科學學院教授，莫納什大學

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