鸟蛋形状之谜:看蛋形就能知道鸟的飞行能力?

文/李纪洁、罗鸿

三亿六千万年前陆生动物离开了水中生活,促使陆生动物出现的其中最重要的原因便是能够产下带有特殊膜状物和蛋壳的后代。而鸟蛋便背负着替未出生的鸟宝宝提供保护和养分的重责大任。虽然鸟蛋的功能都相去不远,但是为什么不同种类的鸟蛋的形状却又如此迥异呢?

举例来说,蜂鸟蛋的形状就像是乖乖饼干,鹬鸟(Sandpiper)的蛋则是像雨滴一样尖尖的。为什么蛋的形状会不同呢?不同的形状有什么不一样的功能吗?它们又是怎么演化而成的呢?

鸟蛋。图/By PublicDomainPictures @ Pixabay

五花八门的蛋形理论

过去科学家们提出了有许多的理论试图来解释为什么蛋的形状这么多变。第一个是在崕边筑巢的鸟的蛋比较尖,因为这样当鸟蛋掉出去的时候,它会以较尖的那端为中心滚动,减少直接滚下山崕的机会。其次,也有科学家提出饮食中摄取较少钙质的鸟类会生出比较圆的鸟蛋,因为生产圆形的鸟蛋只需要使用较少的钙质。

另外,也有一种假说是鸟蛋的形状可以帮助它们更容易集中在鸟巢里面,这样鸟孵蛋时较能够平均的孵到每颗鸟蛋。最后,像是鸭子的雏鸟都比较早熟(precocial),因此具有钝端(不对称)的鸟蛋能够帮助雏鸟有较多的气孔换取空气以利其神经快速发育。

但是这些假说皆因为样本数不足或分析方法不佳等原因没有被百分之百的证实过。为了解开这个世纪之谜,普林斯顿大学、哈佛大学和其他机构的团队决定合作来解出这个谜团。在六月的<科学(Science)>期刊上,他们发表了惊人的研究成果。

分析蛋形。

大数据分析蛋形分布

他们与柏克莱脊椎动物学博物馆(Berkeley museum of vetebrate zoology)合作,取得了一共49,175 颗蛋的样本,这些蛋分别收集自世界各地1,400 品种的鸟巢、洞穴以及鸟群聚集地。透过电脑分析蛋的照片,科学家们纪录每颗蛋的长度(length)、不对称(asymmetry)和椭圆(ellipicity)的程度用于后续的数据分析。

然后以二维为椭圆和不对称的方式呈现蛋的分布情形,其中崖海鸦(Common Murre)有最不对称及椭圆的蛋,而苏拉冢雉(Macrocephalon Maleo)的蛋则是对称却最椭圆,最后褐鹰鸮(Brown Hawk-owl)则拥有最对称最圆的蛋。然而有趣的是鸟蛋中几乎没有如同热气球形状的蛋型,暨不椭圆又极不对称。而最常见的鸟蛋形状和我们日常看到的鸡蛋相比又显得较不对称。

鸟蛋中几乎没有如同热气球形状的蛋型。

鸟蛋形分布。图/Stoddard et al .,(2017). Avian egg shape: Form, function, and evolution. Science 356, 1249–1254.

接着,研究人员同时将鸟类的分类图重叠在在此二维分类图上,发现每个目的鸟蛋形分布相当广泛并且高度的互相重叠,所以无法直接推断鸟蛋的形状跟鸟的分类有无直接关系。

鸟类的分类图。图/Stoddard et al .,(2017). Avian egg shape: Form, function, and evolution. Science 356, 1249–1254.

除此之外,研究团队也比较了新生代(Cenozoic)鸟、爬虫类、兽脚亚目的恐龙(theropod dinosaur)及单孔目哺乳类的蛋,发现其实已有很多呈现椭圆或不对称的蛋出现。但它们的二维分布又跟现代鸟类有所不同。

还有什么因素可以造成鸟蛋形状的不同呢?

科学家们进一步归纳可能造成鸟蛋形状差异的影响因子,像是鸟的体型、饮食、一窝蛋的数目、鸟巢的类型、鸟巢所在地以及生活环境。科学家们将每窝蛋的数目与对称-椭圆-长度投影到三维的空间中,发现不同数目的蛋在三维空间中分布的情形很相似,因此推论每窝蛋的数目与对称、椭圆和长度之间的关系并无明显相关性。并且在其他的数据分析中也只发现蛋的大小与上述影响因子有关,但却与蛋型无直接关系。

蛋形在三维空间分布。

飞行能力才是决定蛋形的关键

那么究竟为什么鸟蛋会有各种不同的形状呢?科学家们想到蛋的形状或许会受到输卵管的大小影响,便猜测当鸟的身体为了飞行会越呈流线型,同时它们体腔也会越小、器官之间也会越紧。鸟蛋为了在狭小的输卵管成长到同样的体积,蛋的形状便会更加接近椭圆形。

为了证实他们的理论,研究团队分析了鸟蛋的形状和鸟类飞行能力之间的关联性,并且发现了当鸟类具有较高飞行能力的鸟翼指数(hand-wing index),它们的鸟蛋就有越明显呈现椭圆形并且不对称的倾向。

蛋形,蛋体积与飞行能力。图/Stoddard et al .,(2017). Avian egg shape: Form, function, and evolution. Science 356, 1249–1254.

除了输卵管本身的大小能影响蛋的形成外,鸟蛋本身也要能调节蛋内流体及大气压的压力。实际上蛋的形状取决于蛋膜而非平时所看到的蛋壳,而蛋膜的厚度会随着蛋形改变,当蛋型较椭圆或较不对称时,蛋膜的厚度要增加以达到内外压力的平衡。利用这项原理,科学家们也推导出了一种计算方法能演算出所有的蛋形。

鸟蛋形状的生物物理模型。图/Stoddard et al ., (2017). Avian egg shape: Form, function, and evolution. Science 356, 1249–1254.

 

此假说是否也能套用在鸟类中的例外?

少数不会飞行的鸟类,像是鸵鸟、奇异鸟以及企鹅会不会遵守这个规则呢?会,虽然驼鸟和奇异鸟的蛋椭圆程度差异大,但是都是偏对称的。这似乎更进一步暗示不对称程度才是最重要的蛋形决定因子。另外,值得讨论的是企鹅蛋则是呈现不对称的形状,最可能的原因是企鹅为了在海中快速的游泳而需要流线型的身体,与高鸟翼指数的鸟有异曲同工之妙。

少数不会飞行的鸟类蛋形分布。

没有参与此研究的科学家Claire Spottiswoode 称赞这项发现提供了解释蛋型的重要线索。并提到虽然目前的资料和结论都是呈现相关性,而非直接证明飞行能力影响蛋型,但是已经让蛋型研究有更加明确的方向。

“做出这个研究成果后,我们需要回答的问题比以前更多了!” Mary Caswell Stoddard 为自己的研究评论道。Stoddard 希望在未来能提供更多其他问题的答案,像是恐龙演化到鸟类时蛋形的改变、飞行能力的演化如何改变生理构造及基因来影响蛋型、或到底产下较圆或较不对称的蛋有什么优劣势之差。

看完这项贴近日常又有趣的研究,我们也可以一起观察生活周遭的事物,发现演化的秘密。如果能解释到底是鸡生蛋还是蛋生鸡,那么下一个伟大的演化学家就是你啦!

参考资料

  • Cracking the mystery of egg shape.
  • MC Stoddard, EH Yong, D. Akkaynak, C. Sheard, JA Tobias, L. Mahadevan.(2017). Avian egg shape: Form, function, and evolution. Science 356, 1249–1254.

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