问题

为什么鸟类演化史中,较为进步的鸟类退化了腹膜肋?

回答
关于“进步的鸟类退化腹膜肋”这个说法,可能存在一些误解。严格来说,鸟类演化史中,并不是“进步的鸟类”退化了腹膜肋,而是绝大多数现生鸟类(也就是我们通常意义上认为的“进步”的鸟类)在演化过程中,腹膜肋的形态发生了显著的变化,并且在某些类群中发生了不同程度的退化或改变,这与它们飞行能力的强化以及身体结构的适应性重塑是密切相关的。

要理解这个现象,我们需要先了解一下什么是腹膜肋,以及它在早期脊椎动物和鸟类演化中的作用。

腹膜肋(Gastralia)是什么?

腹膜肋,也被称为腹骨(gastralia),是一系列沿着腹侧排列的、独立的小骨片,它们位于肋骨和耻骨之间,附着在腹壁的肌肉上,形成一个“腹甲”样的结构。它们在很多爬行动物(包括恐龙)以及一些早期的哺乳动物的胚胎时期或成年时期都存在。

腹膜肋在恐龙身上的作用

在恐龙身上,腹膜肋的存在非常普遍,并且功能也相当明确:

1. 提供腹部支撑和保护: 腹膜肋构成了腹壁的骨性框架,这对于支撑内脏器官、保护腹部免受外伤至关重要,尤其是在这些体型庞大的动物中。
2. 辅助呼吸: 在许多爬行动物中,腹膜肋可以通过与腹壁肌肉的协同作用,参与扩张和收缩腹腔,从而辅助呼吸。一些研究认为,腹膜肋可能在恐龙的呼吸过程中扮演了重要角色,尤其是在没有隔膜(diaphragm)的动物中。
3. 肌肉附着点: 腹膜肋为腹部肌肉提供了更多的附着点,增加了腹壁的强度和稳定性,这可能对于奔跑、挖掘等活动非常有利。

鸟类腹膜肋的演化:一个适应性重塑的过程

鸟类是从恐龙演化而来的,在早期的鸟类以及与鸟类关系密切的恐龙类群中,腹膜肋是普遍存在的。例如,始祖鸟(Archaeopteryx),这个被广泛认为是早期鸟类的化石,就拥有相对完整的腹膜肋。这些腹膜肋的结构和排列方式与某些兽脚类恐龙非常相似,表明它们在早期鸟类中也起到了类似的支撑和保护作用。

然而,当我们观察绝大多数现生鸟类时,会发现腹膜肋的形态发生了巨大的变化,并且在很多类群中,它们的数量减少甚至完全消失。这并非是简单的“退化”,而是一个复杂的、与飞行相关的适应性演化过程。

为什么会发生这样的变化?原因可能多方面,且相互关联:

1. 飞行对身体结构的重塑: 飞行是对脊椎动物体型结构最苛刻的改造之一。为了实现轻盈高效的飞行,鸟类在多个方面进行了优化:
骨骼的轻质化和融合: 许多骨骼变得中空(气囊化),骨骼之间的连接更加牢固(如脊椎、耻骨的融合),这增加了身体的整体刚性和强度,同时也减轻了体重。
胸部的强化: 发展出强大的胸肌和发达的龙骨突(sternum),这是提供飞行动力的关键。
腹部结构的改变: 为了容纳膨大的肺部和高效的消化系统,同时又要保持身体的流线型和整体的动力学平衡,腹部的骨骼结构也必然会受到影响。

2. 腹膜肋的功能被其他结构取代或优化:
胸骨和肋骨的强化: 鸟类的肋骨与胸骨(特别是龙骨突)形成了一个非常坚固的笼子,为胸肌提供牢固的附着点,并且有力地支撑着内脏器官。这在很大程度上承担了早期腹膜肋的支撑作用。
腹肌的进一步发展和功能化: 随着飞行能力的增强,鸟类腹部的肌肉系统也经历了高度的特化。强大的腹肌不仅可以帮助完成腹腔的收缩和扩张(参与呼吸和排泄),还可以帮助固定和稳定身体在飞行中的姿态。这些发达的腹肌本身就能提供相当的支撑,可能减少了对腹膜肋的依赖。
隔膜的演化(潜在影响): 虽然鸟类不像哺乳动物那样有完整的横膈膜,但它们的呼吸系统通过气囊和肺叶的复杂连接,实现了一种高效的“单向呼吸”。在这种系统中,腹腔的动态变化可能更多地由胸腔和腹部肌肉的整体协调来完成,腹膜肋的作用模式也可能随之改变。

3. 腹膜肋的“多余”或“不适应”:
潜在的重量问题: 尽管腹膜肋可以轻质化,但它们仍然是额外的骨骼结构。在追求极致轻盈的飞行过程中,任何“多余”的重量都可能成为演化的阻力。随着腹肌和胸腔结构的完善,腹膜肋可能不再是维持腹部支撑的必需品,其存在反而可能成为一种演化上的负担。
对腹腔扩张的限制: 尽管在早期可能辅助呼吸,但在某些飞行阶段,腹膜肋可能会限制腹腔的灵活性和扩张程度,这不利于高效的呼吸和内脏的舒张。因此,在某些鸟类中,减少腹膜肋的数量,或者使其变得更加纤细,甚至完全消失,可能是一种更优的适应策略。

4. 个体发育的差异: 有趣的是,即使在许多现生鸟类中,腹膜肋也可能在胚胎发育的早期阶段短暂出现,但随后就被吸收或退化。这表明腹膜肋的“原始痕迹”仍然存在于发育过程中,但它们在成年阶段的功能已经不那么重要了。

不同鸟类类群的腹膜肋情况:

并非所有现生鸟类都完全丧失了腹膜肋。一些类群可能保留了数量较少、形态相对简单的腹膜肋。例如,一些游禽或具有特殊飞行方式的鸟类,可能在腹部骨骼结构上保留了一些原始特征。然而,与它们的恐龙祖先相比,大多数现生鸟类的腹膜肋都已经大大简化。

总结:

与其说“进步的鸟类退化了腹膜肋”,不如说绝大多数现生鸟类为了适应高效的飞行,在体型结构上进行了深刻的重塑,其中腹膜肋的功能被更有效的腹肌、胸腔结构以及整体的动力学优化所取代或边缘化,导致其数量减少甚至消失。这是一个典型的适应性演化案例,而非简单的“退化”。 腹膜肋的改变是鸟类从陆生恐龙迈向天空的无数形态学和生理学变化之一,是它们成为空中霸主的必然代价和成就。

这个过程不是线性的“进步”到“退化”,而是在漫长的演化过程中,面对自然选择的压力,生物体根据环境和生存需求不断调整自身结构和功能,以达到最佳的适应状态。

网友意见

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感谢邀请。

这是一个好问题。

在回答之前,先给路人朋友们解释一下什么是腹膜肋(Gastralia),以及为什么这个结构很重要。

我们先看一张图:

这是我在网上随便找的一张马的骨架,我们可以看到,哺乳动物(以图中的马为例),拥有一个完整的,由肋骨构成的胸腔,但是由于肋弓的张开,使得哺乳动物的腹部缺乏骨骼。这种缺失会让哺乳动物的腹部相对来说更为脆弱,这或许与哺乳动物怀孕有关。与之不同的是,爬行动物中却有许多类群拥有腹部的骨骼,比如龟鳖类的腹甲。而如果我们观察鳄鱼的骨骼时,还会看到在鳄鱼的腹部,排布有一连串鱼刺一样的骨骼,这些骨骼可以起到支撑腹腔肌肉,保护内脏的作用,这就是所谓的腹膜肋或者腹肋。

根据现有的化石记录,腹膜肋在整个主龙类(Archosauria)支上都有表现。也就是说,鸟类、鳄类、恐龙以及翼龙都具有这一结构。在主龙类之外,一些鳞龙类和鳍龙类,比如楔齿蜥蛇颈龙等也拥有腹膜肋,甚至有报道认为合弓纲的动物也具有,这说明这个结构的起源很有可能伴随着早期羊膜动物的演化而出现。作为一组原始的骨骼,腹膜肋有非常独特的结构特征,首先,它与躯干骨之间分离,通过软骨与肌肉实现对胸腔和骨盆的连接,其次,与肋骨的对称结构不同,腹膜肋的结构是交错状的,这让它们看起来像是一串“人”字形拉链。严格来说,腹膜肋不能叫做真正的骨头,它们的起源来自于皮肤的骨化,但是它们确实承担着类似肋骨的保护功能。尤其在恐龙体内,它们可以发育得极为粗壮,在一具编号为MOR 693的脆弱异特龙(Allosaurus fragilis) 的化石中,研究人员认为他们发现了一处腹膜肋断裂又愈合的情况。这说明腹膜肋在恐龙的生存当中起着非常重要的保护作用,它们借助这个结构保护腹部的内脏,避免遭受严重的致命伤害。

回到问题本身。正如题目中所提到的,副鸟类大多数都在化石记录中表明其拥有腹膜肋结构,而且一些种类当中,腹膜肋还非常发达,尤其是基干鸟类,这就暗示我们,腹膜肋这一结构并非仅仅是用于保护作用,鉴于它的游离性以及位置,研究人员普遍认为,腹膜肋很有可能起到扩张肌肉,膨胀肺部,促进呼吸的作用。这也说明为什么腹膜肋拥有更为开放的绞合状软骨连接,这并不利于保护躯干,但是却能有效地起到进气的效果。鉴于当下对于恐龙肺与呼吸系统的研究缺乏材料,气囊的分布还不明确,因此腹膜肋是否的确是这些物种呼吸的关键结构,这还有待更多的材料与验证。但就目前来说,这个假说的说服力很强。

印证这一假说的一个证据就是,基干鸟类的腹膜肋数量不像兽脚类恐龙那样,因为体型的小型化而缩减。顾氏小盗龙(Microraptor gui) 和近鸟龙(Anchiornis) 的腹膜肋多达13-15对,圣贤孔子鸟(Confuciusornis sanctus) 则有13对,鉴于这些细小骨骼保存的困难程度,很有可能这些基干鸟类拥有更多的腹膜肋。这些密集的骨化组织或许与这些动物较高的代谢水平有关。飞行能力的产生要求更高的潮气量,而密集的腹膜肋有可能更好地带动肌肉,使得飞行过程中血液中的氧浓度保持稳定水平。

除此之外,腹膜肋很有可能在基干鸟类这里扮演了更重要的结构——作为肌肉附着的锚点。因为基干鸟类缺乏发育的胸骨龙骨突,这使得它们需要一个骨化结构来附着用于飞行的大块肌肉。我们可以比较一下圣贤孔子鸟和鸽子的骨骼结构,就可以清晰地看到,在缺乏龙骨突的情况下,腹膜肋很有可能扮演了非常重要的角色。与飞行相关的肌肉很有可能就附着在这里,并与肩带相连,赋予这些早期鸟类飞行能力。

不过这一假说有个比较明显的困难,那就是腹膜肋并未直接显示出肌肉附着的证据。这与鸟类腹膜肋过于纤细脆弱,不易保存有极大的关系。不过话说回来,作为一块可以活动的,与躯干骨骼分离的结构,腹膜肋要支持强而有力的运动显然是非常勉强的。而随着鸟类腰带的演化,髂骨、耻骨和坐骨的愈合与延伸使得腹膜肋最基础的功能——支持与保护腹部的意义也逐渐减弱。而鸟类气囊结构的演化也可能进一步削弱腹膜肋的作用。可以说,如果假说成立的话,腹膜肋与胸骨的功能的重合使得鸟类只需要选择其中一种便可以实现飞行能力,但是毋庸置疑的是,固定在躯干上的胸骨远比纤细游离的腹膜肋更为可靠,而龙骨突的出现使得飞行肌肉的体积变得更大,更能够支持远距离和高空飞行。这或许就是为什么最后鸟类退化了腹膜肋,转向了胸骨的演化。

可以说,这一块高耸的胸骨代表了整个主龙类演化智慧的结晶。

但是某些鸟类还是弄丢了不是()

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