科普 | 先有鸡，还是先有蛋？
2015/2/2 中科院之声
先有鸡，还是先有蛋？这是个困惑人类几千年的老问题了。古希腊哲学家亚里士多德(公元前384-322年)就说过，“不可能有第一只产生鸟的蛋，因为那样就必须先有能生出这第一只蛋的鸟。”。虽然他并没有具体提到鸡，但是由于所有的鸟类(包括鸡)都生蛋，而且所有的鸟都由蛋孵化而来，所以他谈的是同一个逻辑难题。亚里士多德的说法也代表了许多人对这个问题的想法：是啊，鸟是从鸟蛋孵化出来的，而鸟蛋又是鸟生的；没有鸟蛋就不可能有鸟，没有鸟，鸟蛋也无从产生，我们又怎么能决定它们的先后呢？
科学研究的结果告诉我们，鸟类不是一开始就有的。地球上的生命出现于约35亿年以前，而目前发现的最古老的鸟类化石(出土于中国辽宁西部建昌县的“徐氏曙光鸟”)只有约1亿6千万年的历史。在那之前，恐龙已经在地球上生活7000多万年了。多数科学家认为，鸟类是从恐龙，而且最可能是从“兽足亚目恐龙”(Theropod)进化而来的。科学家们把“徐氏曙光鸟”骨骼构造中的近千个特征分别与恐龙和鸟类的骨骼特征相比较，认为它是迄今为止发现的、恐龙演化为鸟类过程中最早的环节，在进化阶段上比在德国南部发现的“始祖鸟”早约1000万年，是鸟从恐龙进化而来最有力的证据。
和鸟一样，恐龙也是产蛋的，而且恐龙的蛋和鸟类的蛋(如鸡蛋)都属于“羊膜卵”(Amniotic egg)。这种卵的外部有坚固耐水的钙质硬壳，上有气孔，供胚胎呼吸；外壳里面有一个蛋黄，为胚胎供应营养；胚胎浸泡在由羊膜包裹而成的羊膜囊的羊水中；此外还有尿囊，用来储存代谢废物。“羊膜卵”的这些构造特点使它可以在陆地干燥的情况下生存，从而使脊椎动物的生殖过程摆脱对水环境的依赖。鱼类和两栖类动物(如青蛙)这样比较低级的脊椎动物的卵就不是“羊膜卵”，所以只能产在水里。青蛙还必须经过蝌蚪的阶段，才能最后上陆。
恐龙蛋和鸟蛋在构造上的一致性说明，类似鸡蛋那样的“羊膜卵”在鸟类出现之前很久就已经为恐龙所生了。也就是说，脊椎动物从海洋进军到陆地时所需要的卵在结构上的改变，在爬行动物(包括恐龙)阶段就已经完成了，鸟类只是继续使用而已。从恐龙蛋变为鸟蛋，并没有结构上的障碍需要跨越。所以现在鸟和鸟蛋的问题就变为：是恐龙先变成鸟，再产出鸟蛋，还是恐龙先产下鸟蛋，再孵化出鸟？要回答这个问题，就需要了解生物繁殖的过程和物种变化的机制。
现在大家都知道，生物的性状是由遗传物质，即“脱氧核糖核酸”(DNA)决定的。“种瓜得瓜，种豆得豆”，就是因为瓜和豆的DNA不同。现代的动物克隆技术可以仅从一滴鼠血(实为血中白细胞的DNA)就“变”出克隆鼠来，说明DNA是决定生物性状的关键物质。从恐龙到鸟的变化，也一定是由于DNA序列的改变。问题就在这个改变在什么阶段发生，在什么细胞里发生，以及这些改变对下一代的影响。
每个生物体，特别是像脊椎动物(包括鱼类、两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类动物)这样高度复杂，而且寿命较长(多以年计)的生物的一生中，身体由于受到内部因素(如活性氧)和外部因素(如高能射线)持续不断的袭击，以及细胞分裂时DNA复制错误等原因，总会有一些细胞里的DNA序列会发生突变。所以随着年龄增长，身体里面一些细胞的DNA就不再和受精卵阶段的DNA相同。
和其它脊椎动物一样，恐龙身体里面也有两类细胞。一类是构成身体的体细胞，比如组成心脏、肝脏、大脑、皮肤的细胞都是体细胞。它们占身体细胞的绝大部分，具体执行各种生命活动。另一类是生殖细胞，它们的任务是繁殖下一代，而和身体其它部分的生理功能无关。这两类细胞里面的DNA都会发生突变，但是发生在体细胞里的突变和发生在生殖细胞里的突变，后果完全不同。
体细胞中DNA的突变是零星和随机的，不同细胞里面DNA突变的情形彼此不同，所以没有全身一致的，统一的DNA序列改变，也不会有某个基因在全身所有的细胞里都发生同样突变的情形。一个细胞里的DNA突变也不能使相邻细胞里的DNA发生相同的突变，即某个细胞DNA的突变不能“扩散”到其它细胞去，因而是“彼此隔绝”的。而物种的改变需要有关组织中所有细胞的DNA都发生同样的变化，这是体细胞的零星突变不可能办到的。总的平均起来，生物体一生中细胞里的DNA还是和受精卵的DNA高度一致的，也就是不变的。从成年动物身上取下的细胞可以克隆出这个动物(即从这个细胞发育出的动物和当初从受精卵发育而来的动物相同)就可以证明这一点。所以某只恐龙从蛋孵化出来以后就终身只能是恐龙，不会因为这只恐龙体细胞DNA零星和随机的改变就变成一只鸟。
和体细胞不同，生殖细胞里DNA的改变会通过受精卵的分裂出现在下一代生物体的每一个细胞中，包括所有的体细胞，从而可以稳定地影响下一代身体的性状。这种在下一代身上出现的全身的，统一的DNA改变，正是形成新的个体和新的物种的先决条件。
但是生殖细胞DNA突变的效果只能在后代中表现出来，而对产生这个生殖细胞的动物没有影响，因为这个动物的体细胞中并没有生殖细胞中的那个突变(体细胞和生殖细胞有同样突变的几率极小，所有的体细胞和生殖细胞有同样突变的几率为零)。如果生殖细胞的某个突变使它产生的下一代变成了鸟，那么产生这个生殖细胞的恐龙就还不是鸟。也就是说， 由于生殖细胞的突变，不是鸟的动物也可以生出鸟蛋来。而受精卵和由它发育成的生物体其实是一回事(DNA完全相同)，只是发育阶段不同。所以第一只鸟必然来自第一只鸟蛋。
下面我们用具体的例子来说明这个问题。
比如从恐龙变为鸟，需要覆盖恐龙身体的鳞片变成鸟的羽毛。恐龙的鳞片和鸟类的羽毛都是由”beta-角蛋白”(beta-keratin)组成的，但是鳞片和羽毛里的beta-角蛋白在氨基酸序列和蛋白质结构上都有一些差异，所以从鳞片beta-角蛋白到羽毛beta-角蛋白的转变需要DNA序列的变化。如果恐龙生殖细胞中一个为鳞片beta-角蛋白编码的基因发生突变，使它变成了羽毛beta-角蛋白的基因，下一代恐龙由于全身所有的细胞都有这个羽毛beta-角蛋白基因，它在身体表面就可以长出羽毛来(当然这是一个大大简化了的模式)。产生这个生殖细胞的恐龙因为体细胞内没有羽毛beta-角蛋白的基因，所以长不出羽毛来。
如果我们把有羽毛的恐龙就定义为鸟，上一代恐龙因为没有羽毛，所以还不是鸟。但是它产生的带有羽beta-毛角蛋白基因的生殖细胞，却可以使下一代长出羽毛来，所以下一代变成了鸟。由这个生殖细胞形成的受精卵是包含在蛋里面的，所以这个蛋是鸟蛋。
恐龙和鸟的另一个重大区别是恐龙有牙齿而鸟没有牙齿。牙齿的重要成分之一就是釉质，即包裹在牙齿外面那层坚硬的物质。釉质的形成需要釉质蛋白(enamelin)，如果釉质蛋白的基因发生突变而丧失功能，就会影响牙齿的形成。研究发现，爬行动物都有正常的釉质基因，但是这些基因在鸟中却丧失功能，变成“伪基因”，成为鸟类没有牙齿的原因之一。
生殖细胞中某个釉质蛋白基因的突变自然可以使这个基因丧失功能，但是下一代却仍然可能长出牙齿。因为受精卵是由一个精子和一个卵子结合形成的，由它发育成的动物是“二倍体”，即有两份遗传物质，每个基因也是双份。如果只有卵子中的釉质蛋白基因丧失功能，而精子里的釉质蛋白基因没有失去功能，受精卵和由它发育出的动物就还会有一个起作用的釉质蛋白基因，所以还能长出牙齿来。只有精子和卵子都带有丧失功能的釉质蛋白基因，由受精卵发育出来的动物才长不出牙齿。
在这里我们也可以假设釉质蛋白基因是决定长不长牙齿的唯一因素，并且把牙齿消失作为恐龙变为鸟的标志。在两个釉质基因都丧失功能的动物出现之前，一定会有只有一个釉质蛋白基因丧失功能的雄恐龙和雌恐龙。因为它们都还有一个正常的釉质蛋白基因，它们都还有牙齿，所以都还是恐龙。在它们形成“单倍体”(只有一份遗传物质)的生殖细胞时，是丧失功能的釉质蛋白基因进入生殖细胞，还是正常釉质蛋白基因进入生殖细胞，机会是均等的。如果精子和卵子都正好含有丧失功能的釉质蛋白基因，由它们形成的受精卵中就没有正常的釉质蛋白基因，由这个受精卵发育出来的动物就长不出牙齿，所以变成了鸟。在这里，也是恐龙产下了鸟蛋。
先有鸡，还是先有鸡蛋(或者先有鸟，还是先有鸟蛋)的问题之所以使人困惑，是因为把鸡(或者鸟)看为一成不变的动物，鸟和蛋周而复始的循环，使人得不出这个问题的答案。但是如果从进化的观点来看鸟类的起源，并且了解生殖细胞DNA的变异影响后代动物性状的机制，这个问题是有答案的，那就是：先有鸟蛋，后有鸟。
来源：中国科普博览
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