研究人员检查了博物馆收藏中的数十种鸟类，寻找能够飞行的鸟和不能飞行的鸟在羽毛和身体上的差异。他们发现，当鸟类从能够飞行的祖先演化为新的不能飞行的形态时，鸟类的身体，包括它们的翅膀和尾巴的比例，在羽毛发生变化之前就已经发生了变化。这项研究的见解可能有助于科学家们确定化石鸟类或那些不属于鸟类家族的羽毛恐龙是否能够飞行。
超过99%的鸟类能够飞行。但这仍然留下了许多进化为不能飞行的物种，包括企鹅、鸵鸟和猕猴桃鸟。在期刊Evolution的一项新研究中，研究人员比较了不同种类的不能飞行的鸟和它们最接近的仍然能够飞行的亲属的羽毛和身体。他们能够确定鸟类进化为不能飞行的特征首先发生哪些变化，而哪些特征则需要更多时间进行进化改变。这些发现有助于揭示复杂特征的进化，这些特征失去了其原本的功能，甚至可能有助于揭示哪些化石鸟是不能飞的。
今天所有的不能飞行的鸟类都来自于能够飞行的祖先，后来失去了这种能力。“从不能飞的状态变到能飞是一项相当大的工程挑战，而从能够飞的状态变到不能飞则相对容易，”芝加哥田野博物馆的研究助理、论文的主要作者埃文·赛塔（Evan Saitta）说。
一般来说，鸟类进化为不能飞行的原因有两个常见的方面。当鸟类降落在没有捕食者（包括捕猎它们或偷走它们的蛋的哺乳动物）的岛屿上时，它们有时会定居在那儿，并逐渐适应在地面生活。由于它们没有经历保持飞行状态的进化压力，它们逐渐失去了帮助它们飞行的一些骨骼和羽毛特征。同时，某些鸟类的身体在进化为半水生生活方式时也发生了变化。例如，企鹅无法飞行，但它们游泳的方式相似于“在水下飞行”。它们的羽毛和骨骼相应地发生了变化。
赛塔是一位古生物学家，常常研究非鸟类恐龙（即不包括现代鸟类的恐龙家族树的分支）。然而，当他来到田野博物馆进行博士后研究时，博物馆收藏的超过50万只鸟类令他震惊。
“我突然有机会接触到所有这些现代鸟类，这让我想知道，‘当一只鸟失去飞行能力时会发生什么？’”赛塔说。“因为我不是鸟类学家，所以我尽可能测量了尽可能多的羽毛特征。所以在这个意义上，这是一项高度探索性的研究。”
赛塔检查了三十种不能飞的鸟类及其最近的飞行亲属的保存皮肤，并测量了鸟类羽毛的多种特征，包括构成羽毛羽饰的微观分支结构。他还检查了其他更远关系的物种的标本，以代表鸟类家族树的更多部分。
之前的研究揭示了不同种类不能飞鸟类从能够飞的亲属分支出来的时间。例如，鸵鸟的祖先很久以前就失去了飞行能力，而名为富士斯图尔的南美无飞鸭的祖先则相对较晚。赛塔发现，这些物种的羽毛非常不同。“鸵鸟已经失去飞行能力很久，以至于它们的羽毛不再优化为空气动力学，”赛塔说。因此，它们的羽毛变得如此长和毛茸茸，以至于有时被用于羽毛掸和羽毛披肩。但尽管富士斯图尔无法再飞行，它们失去这一能力的时间相对较短，羽毛仍然与它们的飞行亲属相似。
赛塔表示，他对不能飞鸟类失去有助于飞行的羽毛特征所需的时间感到惊讶。似乎没有道理说明为什么一个不能飞的物种会“浪费”能量长出许多优化用于一种它不再做的活动的羽毛，或者为什么不再需要飞行的羽毛不会被释放出来进化成各种各样的形式。然而，赛塔说，他的博士后导师、田野博物馆的研究助理和前田野策展人彼得·马科维奇（Peter Makovicky，现任明尼苏达大学贝尔博物馆）有另一种看法。
“彼得指出，当试图理解一只现代鸟类为何看起来如此时，不能仅仅考虑自然选择或其放松。你还必须考虑发展约束，”赛塔说。“羽毛是复杂的结构，具有非常明确的发育序列，这一序列很难改变。而当鸟类失去飞行能力时，那些羽毛特征的消失是以它们最初进化的相反顺序出现的。”
当鸟的胚胎发育羽毛时，这些羽毛的复杂性按照这些羽毛特征首次在恐龙中进化的一般顺序增加。在失去飞行能力后，鸟类以它们最初进化的相反顺序失去这些羽毛特征。这就像改建一栋房子——改变最后加进去的元素（如壁纸）更快更容易，而撕掉承重墙并将其重建成新东西所需的时间更长。
一些较新进化的羽毛适应性，如允许鸟类飞行的飞行羽毛的不对称性，更容易改变，因此一旦鸟类不再需要飞行，便相对较快地消失。但总体而言，基本的羽毛结构就像那些承重墙。将标准羽毛的基础发展转变为产生如羽毛蓬松的鸵鸟羽毛需要大量的进化时间。
赛塔和他的同事们还发现，一旦某一谱系失去了飞行能力，某些较大的特征相对较快地发生了变化。“当鸟类失去飞行时，首先改变的可能是它们的翅膀和尾巴的比例。这就是为什么我们看到骨骼变化和整体体重的变化，”他说。
这背后的原因，赛塔说，可能与生长这些特征的相对“成本”有关。当动物发育时，生长骨骼所需的能量比生长羽毛多得多，因此进化“优先”在改变骨骼之前改变大部分羽毛。
“假设一个鸟类物种降落在一个它们能够安全在地面生活而不需要再飞的岛上。首先消失的将是这些大而耗能的骨骼和肌肉，但羽毛是便宜的，因此对它们的变化的选择压力较小，”赛塔说。这就像如果你自动支付你不再居住的旧公寓的1500美元月租，那对你的银行账户的影响将比忘记取消一个每月5美元的订阅要大得多。对于新的不能飞行的鸟类来说，维持一个适合飞行的骨骼是一种不必要的更大成本，而保持一些未改变的旧羽毛则相对容易。
这项研究的见解可能有助于科学家们确定化石鸟类或那些不属于鸟类家族的羽毛恐龙是否能够飞行。“飞行并不是一夜之间演变而来的，飞行，或者至少是滑翔，可能在灭绝物种中多次丧失，就像在幸存的鸟类谱系中一样。我们的论文有助于展示鸟类身体反映那些变化的顺序，”赛塔说。“除非你拥有一个化石，其祖先（甚至更古老的化石）早已失去飞行能力，否则你可能不会看到它们羽毛上太多的变化。你可能首先想寻找体重变化、翅膀相对长度的变化。这些变化首先发生，然后你可能会看到羽毛的对称性变化。”
赛塔的研究证实了之前的研究，显示鸟类的飞行羽毛在失去飞行能力后变得更加对称。“好消息是，由于我从不同的角度来审视这个问题，我们得到了与许多之前研究结果非常一致的结果，但我认为可能比我以更具体的重点来探讨这个问题时的结果更加广泛，”赛塔说。
