这个秘密的数学规则塑造了 2 亿年的喙

鸟喙几乎有各种形状和大小——从蜂鸟的稻草状喙到鹰的切片刀状喙。

然而，我们发现，这种令人难以置信的多样性是由一个隐藏的数学规则支撑的，该规则控制着几乎所有现存鸟类喙的生长和形状。

更重要的是，这条规则甚至描述了鸟类早已逝去的祖先中的喙形状——恐龙.我们很高兴分享我们的发现，现已发表在杂志上科学.

通过根据这个数学规则研究喙，我们可以了解鸟类和其他恐龙的面孔是如何在 2 亿年中进化的。我们还可以找出为什么在极少数情况下会打破这些规则。

当自然遵循规则时

在生物学中寻找普遍规则是罕见且困难的——似乎很少有物理定律在所有生物体中如此普遍的例子。

但是当我们确实找到一条规则时，它是解释我们在自然界中看到的模式的有力方法。我们的团队以前发现了生物学的新规则这解释了许多尖锐结构的形状和生长，包括牙齿、角、蹄子、贝壳，当然还有喙。

这个简单的数学规则捕捉了尖头结构（如喙）的宽度如何从尖端扩展到底部。我们称此规则为 “功率级联”。

在这次发现之后，我们对功率级联如何解释鸟的形状和其他恐龙喙。

恐龙不止一次地长出喙

大多数恐龙，如霸王龙，有一个强壮的鼻子和尖尖的牙齿。但是一些恐龙（比如类似鸸鹋的恐龙埃德蒙顿鸟）根本没有任何牙齿，而是有喙。

在兽脚亚目中，这群恐龙霸王龙属于，喙至少进化了六次。每一次，牙齿都会脱落，鼻子在数百万年的时间里伸展成喙状。

但这些无可挑剔的恐龙群体中只有一个在 6600 万年前的大规模灭绝事件中幸存下来。这些幸存者最终成为了我们现代的鸟类。

早起的鸟儿抓住了规则

为了研究生长的权力级联规则，我们研究了 127 种兽脚亚目恐龙。我们发现 95% 的兽脚亚目动物喙和鼻子都遵循这条规则。

通过计算机建模使用最先进的进化分析，我们证明了祖先兽脚亚目恐龙很可能有一个遵循权力级联规则的齿状鼻子。

令人兴奋的是，这表明权力级联不仅描述了兽脚亚目恐龙的喙和鼻子的生长，而且可能描述了所有脊椎动物的鼻子：哺乳动物、爬行动物和鱼类。

规则遵循者和破坏者

在大灭绝中幸存下来后，鸟类经历了一段令人难以置信的变化时期。鸟类现在生活在世界各地，它们的喙以非常特殊的方式适应每个地方。

我们看到喙的形状用于吃水果、网捕昆虫、刺穿和撕裂肉，甚至啜饮花蜜。大多数都遵循 Power Cascade 增长规则。

虽然很少见，但我们研究的一些鸟类打破了规则。欧亚琵鹭就是这样一种打破规则的动物，它高度专业化的喙形状有助于它在泥浆中筛选以捕捉水生生物。也许它独特的喂养方式导致它打破了这个常见的规则。

我们一点也不为像琵鹭这样的违反规则的人感到不安。相反，这进一步凸显了权力级联的真正信息量。大多数鸟喙都按照我们的规则生长，这些喙可以满足大多数喂食方式。

但偶尔，像琵鹭这样的怪人会打破力量级联增长规则来捕捉它们特殊的“蠕虫”。

既然我们知道大多数鸟类和恐龙的喙都遵循权力级联，我们研究的下一个重要步骤是研究鸟喙如何从雏鸟长成成虫。

如果权力级联真的是鸟喙的基本生长规则，我们可能会发现它以许多其他形式隐藏在生命之树上。

凯瑟琳·加兰， 博士生， 生物科学学院，莫纳什大学和阿利斯泰尔·埃文斯， 生物科学学院教授，莫纳什大学

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