本文圖片均由浙江大學生命演化研究中心提供

倉鸮

鵲雁

林地翡翠

黑尾美洲咬鵑

藍蕉鵑

黑尾鸛

美洲紅鸛

安氏蜂鳥

波多黎各短尾鴗

鷺鷹

綠胸八角鶇

日鷉

鴯鹋

彩鷸

朱鹮

藍喉三寶鳥

怎麼把鳥類生命之樹，從無法區分物種親緣關系的“梳子”結構，變成有著清晰演化過程的“二叉樹”結構？

浙江大學生命演化研究中心教授張國捷腦海裡的一個奇思妙想，不但促成他和國內外學者發起成立了萬種鳥類基因組計劃，還重構並革新了現生鳥類的系統發育樹，厘清了現生鳥類各類群之間的關系，將現生鳥類最大的類群新鳥小綱分為奇跡鳥類、鴿鴇類、陸鳥類和全新確立的元素鳥類四個分支，解決了鳥類類群關系長達一個多世紀的爭議，為正確理解鳥類物種演化提供堅實基礎。

近日，這一研究成果發表於國際學術期刊《自然》。

採集1萬多種現生鳥類的DNA

地球上，現生鳥類有1萬多種。達爾文1835年考察加拉帕戈斯群島時，發現不同島上鳥類的喙不一樣，比如取食果實鳥的喙呈鑿狀，取食仙人掌鳥的喙尖而長，取食種子鳥的喙粗而尖，取食昆虫鳥的喙細而長等。他受此啟發提出共同祖先和自然選擇演化的理論。

此后一個多世紀，國際上利用鳥類研究生物學和生態學問題的研究人員眾多。對於鳥類生命之樹的研究，主要根據鳥類的翅膀、羽毛羽色、喙、頸部等形態的不同，進行分門別類。但是，不同鳥類群體在相同環境下可能形成相似形態，不同鳥類之間還會出現跨物種雜交及基因交流現象，單純依據形態難以准確回答鳥類之間的關系。

張國捷說，企鵝從飛行變為在海裡潛水，與它最近的類群是誰至今眾說紛紜。有的說是海鷗，有的說是南美洲和澳大利亞的瀕海物種，但都缺乏完整的証據鏈。

20世紀DNA（脫氧核糖核酸）技術的出現和發展，促使通過DNA相似度解析不同物種之間的親緣關系，成為主流方法。2008年，在中國科學院昆明動物研究所讀博士期間，張國捷看到《科學》雜志上一篇用10多個鳥類DNA片段來破解鳥類生命之樹的文章。不過，這個工作隻將新鳥小綱裡的不同類群，用“梳”狀樹來展示它們來自共同祖先，沒有厘清不同類群出現的先后順序，以及親緣遠近的問題。因此，並未真正解決過去鳥類生命之樹的爭議。

張國捷提出，能不能利用更為完整的全基因組數據，把鳥類生命之樹從“梳子”結構變成“二叉樹”？當時，國內外鳥類分類學領域持兩種截然不同的態度。一種是較為悲觀態度，認為以當時的技術要收集大量鳥類物種的基因組，是不可能完成的。另一種是比較開放的態度，認為新的數據可能帶來希望。

張國捷與合作者一起從每個項目中選取代表物種樣本進行全基因組測序，歷經4年，發表了第一階段的一系列研究成果，其中有8篇相關文章在2014年12月的國際學術期刊《科學》同期發表。

隨后，他聯合多個學者和機構共同發起國際聯合攻關項目——萬種鳥基因組計劃，旨在構建約10500種鳥類的基因組圖譜，構建所有現生鳥類物種的生命之樹。

協調全球鳥類樣品的收集並不容易，有些物種在博物館館藏保存條件不佳，需要到當地採集新鮮樣品。令他印象最深的一次活鳥DNA樣本採集，是2010年在肯尼亞馬賽馬拉國家公園。

當地鳥類資源豐富，在當地向導的帶路下，科考隊員一行坐了很久的敞篷越野車，才到達目的地。他們背著裝滿液氮的保溫杯，從活鳥身上採集兩三毫升新鮮血液，消毒后放飛——這相當於體檢時從成年人身上採集二三十毫升血液，不會影響大多數鳥類的健康與野外生存能力。採集到的血液樣本，則會立即放至液氮中一次性冷凍保存，之后帶回實驗室進行DNA檢測。

厚嘴崖海鴉是格陵蘭島一種比較稀有的鳥類，它們生活在海邊，巢穴筑在內陸山岩邊，且叫聲非常吵。2023年，張國捷與科考人員採集厚嘴崖海鴉血液樣本過程曲折。他們先坐船，后坐直升機，飛到格陵蘭島內陸地區，人一靠近厚嘴崖海鴉巢穴，它們便發出類似警告的叫聲，同類鳥聽到這種叫聲都飛光了。有時候，厚嘴崖海鴉在冰川和浮冰上覓食或棲息一整天，科考隊員出於安全考慮不能攀爬冰川，可望而不可即。

“真是急煞人。”張國捷說。

據他介紹，目前團隊已經完成6000多個物種鳥類的DNA樣本採集，80%是通過項目合作方的自然歷史博物館冷凍館藏樣本獲取，20%是組織科研人員重新捕捉活鳥樣本採集。

揭示鳥類鮮為人知的奧秘

在實驗室完成鳥類樣本DNA檢測和測序后，就需要到計算機集群上進行超級計算與大數據比對了。隨著採集到的樣本越來越多，數據量呈指數級增長，對算力資源和算法模型的要求也越來越高。在最新的研究工作中，一個比較復雜的分析，在德國超算平台上就使用了120萬核時的算力資源，即一個CPU運行120萬小時，換算成以年為單位則是136.99年。

張國捷說，萬種鳥基因組計劃的計算，目前主要在中國、丹麥、德國、歐盟、美國的多個超算平台進行。

目前，萬種鳥基因組計劃完成的基因組解析工作，揭示了鳥類一些鮮為人知的奧秘。萬種鳥基因組計劃發起者之一、中國科學院動物研究所研究員雷富民研究高原特色物種地山雀，通過基因測序揭示地山雀是如何適應高原環境的，它們即使在高原飛得高，也不會出現高原反應。

自然界中，除了鸚鵡學舌外，還有八哥、斑胸草雀、蜂鳥等都會鳴唱。鳴唱鳥不光是唱出聲音來，還通過唱聲進行交流。張國捷說，一隻雄鳥在競爭配偶時，通常會唱歌給雌鳥聽，雌鳥一般會選擇歌唱得好的雄鳥進行交配。失敗的雄鳥會學習勝者的唱法繼續求偶，這種學習能力和語言系統，與人類的語言系統非常像。

浙江大學生命演化研究中心研究員馮少鴻通過對雀形目鳥類基因組的研究發現，有許多古病毒插入鳥類基因組裡。大約在兩三千萬年前，其中一類“逆轉錄病毒K”伴隨雀形目鳥類物種輻射性演化歷程，不斷插入並被清除。越是近期產生的雀鳥物種，這類病毒殘留序列的拷貝數越多，其中一些病毒的殘留序列被鳥類廢物利用，可以作為開關調控雀鳥大腦基因表達。

翅膀對於鳥類群適應環境、躲避天敵、擁有更廣泛的生存空間來說，是至關重要的。但據了解，至少有10類群的鳥類物種出現了飛行退化，像企鵝甚至完全失去了飛行能力。

張國捷團隊通過分析發現，企鵝最早是在澳新南部島嶼，然后遷到南極、非洲南部，再到南美洲，往北遷到加拉帕戈斯群島，不同企鵝物種之間的分化，與地球上新的島嶼形成和海洋洋流密切相關。

渡渡鳥是一種300多年前才滅絕的鳥類。過去，渡渡鳥生活在印度洋毛裡求斯島上，由於沒有天敵，生活太好，很肥很笨，翅膀退化不會飛了，直接把蛋產在地上。人類大航海時代，把各種家養動物和老鼠帶到島嶼並快速繁衍，急劇破壞了渡渡鳥的生活環境，產下的蛋被這些外來物種蠶食，最終導致其滅絕。

“生命系統在漫長的演化過程中做了無數次實驗，各種各樣的物種通過DNA改變產生特殊性狀和功能，適應特殊環境。這對我們理解和利用基因功能具有重要的啟示。”張國捷說。

革新現生鳥類系統發育樹

在生物分類學上，被歸入鳥綱中的新鳥亞綱，大致又分為古顎下綱和今顎下綱兩個主要的類群。在古顎下綱裡，則包含了大量人們熟知的無法飛行的鳥類，比如非洲的鴕鳥、澳大利亞的鴯鹋、新西蘭的鷸鴕，還有南美洲的大美洲鴕等。今顎下綱進一步分為雞雁小綱、新鳥小綱兩大分支。其他現生近萬種鳥類則都隸屬於新鳥小綱。

萬種鳥基因組計劃希望重新構建現生鳥類的系統發育樹，提供一套新的鳥類分類劃分方案。張國捷說，新的鳥類生命之樹將新鳥小綱劃分為四大分支。第一大分支是以火烈鳥與為代表的奇跡鳥類。第二大分支是包含鴿、鴇與杜鵑的鴿鴇類。第三大分支是囊括南鳥類和非洲禽類的陸鳥類，前者包括雀鳥、鸚鵡、叫鶴和隼等，后者包括海雕、鷹、美洲鷹以及鴟鸮和啄木鳥等。第四大分支是全新的元素鳥類。這個命名源自拉丁語中的elementum（元素）和aves（鳥），既包括主要在水域活動的企鵝、潛鳥、信天翁等鷺形類、鶴形類鳥類，也包括主要在陸地活動的麝雉等，還有更擅長在天空活動的夜鷹、雨燕等夜鷹目鳥類。

通過萬種鳥基因組計劃，奇跡鳥類作為新鳥類的基部類群的系統發育位置，得以重新確認。此類鳥因其外表華麗與行為奇異而聞名，但其系統發育位置也時常引起爭論。如火烈鳥曾被錯誤地歸進今顎下綱的各種分支裡，則曾被錯誤地分類進潛鳥目﹔奇跡鳥類也因其水邊棲息的生活習性等因素，被錯誤地認為與濱鳥以及鷺形類鳥類親緣關系更近。依據新的鳥類生命之樹，奇跡鳥類被劃分為新鳥小綱的基部類群，是其他所有新鳥類的“姐妹群”。

張國捷說：“萬種鳥基因組計劃目標是，揭示地球上整個鳥綱物種演化歷史以及其生物多樣性的演化機制。”

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