何鸟类没有牙齿；颜色鲜艳的羽毛如何演化；鳄鱼怎么会跟鸟类攀上亲戚；鹦鹉为何能“说”人话？
一项历时四年之久、雄心勃勃的国际合作研究，通过全面解析现代鸟类基因组图谱，使约6600万年前地球上庞大动物类群恐龙覆灭之后出现的鸟类演化“大爆炸”历程浮出水面，并深入解答了很多疑问。主导这项研究的国际鸟类基因组研究联盟不久前以专刊形式集中公布了28篇首期研究成果，其中8篇刊登在《科学》杂志鸟类专刊上，其余20篇陆续刊登于《基因组生物学》《大数据科学》等杂志，这些揭开了生物演化史上又一重要的篇章。
鸟纲基因组和演化生物学研究
以往的研究显示，在白垩纪物种大灭绝事件中幸存的鸟类，经历了一次快速的演化。然而，这一快速演化过程在此前一直是个谜，现代鸟类的演化关系困扰了生物学家数个世纪之久。另外，在物种大灭绝之后获得新生的鸟类如何演化出1万多个物种，其背后的生物多样性分子基础也知之甚少。
为了回答这些问题，中国深圳华大基因研究院国家基因库副主管张国捷研究员、美国杜克大学和霍华德休斯医学研究所神经生物学家埃里希·D·贾维斯、丹麦自然历史博物馆托马斯·吉尔伯特领导的国际鸟类基因组联盟，完成了48个鸟类物种的基因组测序、组装和全基因组比较分析，包括乌鸦、鸭、隼、鹦鹉、企鹅、朱鹮、啄木鸟、鹰等，囊括了现代鸟类的主要分支。
这些新发布的成果在许多鸟类演化相关问题上提出了新的观点。其中发表在《科学》杂志的两篇综合性文章称，研究人员基于全基因组数据构建了有史以来最高可信度的鸟类分子演化树，前所未有地解决了关于早期鸟类演化关系的历史争论；描述了鸟类基因组演化的历程，从基因组角度阐述了鸟类宏观演化的重要特征。
而刊登在《科学》杂志鸟类专刊上的6篇文章，分别阐述了控制声音学习的分子通路在一些鸟类和人类的大脑语言控制区域中独立演化过程、鸟类性染色体复杂的演化历程、鸟类在早期演化过程中是如何一步步丢失牙齿、鸟类近亲鳄鱼的基因组是怎样演化的、鸟类歌唱行为在大脑内的基因调控机制，以及一种利用大规模基因组数据构建演化树的新方法。
清晰绘制鸟类家族关系树
以往生物学家利用部分DNA测序、解剖学或行为学的特征均无法构建出明确的鸟类家族树。研究人员解释说，由于现代鸟类在早期快速形成物种，扩张的时间很短，物种间单个基因的水平上没有演化出足够多的序列差异，因此仅用少量的DNA序列很难提供足够的信号确定物种间的亲缘关系。另外，由于许多物种可以演化出类似的形态或行为，这为利用解剖学和行为学特征进行物种树构建制造了许多障碍。
为了解决现代鸟类分化时间及其之间关系的问题，研究人员决定采用全基因组DNA序列来推断鸟类物种树。通过全基因组数据的方法推断出的鸟类物种树发展史，与之前得到的结果有巨大差异。研究发现，单纯使用编码蛋白基因来构建演化树与真实物种树具有极大的差异，因此还需要利用非编码序列，包括基因间区。研究还发现，编码蛋白序列在一些具有相似生活史的物种之间存在有意思的趋同演化现象。
新的鸟类物种树彻底解决了今颚总目（新鸟），即鸟类主干的早期分支问题，还对一些长期争议的关系给以确切的结论。比如，新的研究结果支持水生鸟类有3次独立起源；主要陆生鸟类如鸣鸟、鹦鹉、啄木鸟、猫头鹰、鹰和隼等都来自同一祖先——顶级的捕食者，这类生物同时也是一种曾生存于美洲的巨型恐怖鸟（又称骇鸟）的祖先。
研究人员表示，基因组测序技术的日渐成熟和成本下降，以及构建演化树计算方法和比较基因组学等的发展，使得他们能比过去更好地解决这些科研难题。
由于每个物种约有1.4万个同源基因，鉴于这一数据集的庞大和分析的复杂性，研究人员采用了几个新的方法来构建鸟类演化树。研究人员称，构建鸟类物种树一次计算大约一个CPU要跑300年才能完成，因此这是一次前所未有的大数据分析的计算挑战。其中一些分析甚至需要太字节内存的超级计算机。
更新鸟类演化的诸多论断
全基因组分析的结果推翻以前的一些研究结论。此前研究推测现代鸟类的大爆发发生在6600万年前大灭绝事件之前的1000万年至8000万年左右。然而新的分析表明，现代鸟类的爆发应该发生在白垩纪物种大灭绝之后1000—1500万年以内，虽然这一时期覆灭了地球上几乎所有的恐龙，部分鸟类却存活下来。
基于新的基因组数据，研究人员认为，仅有很少的鸟类幸免于大灭绝事件。后来，它们突发性的演化出1万多种新鸟纲物种。预计现存95%的鸟类的祖先均起源于这一时期。研究人员推测大灭绝事件之后原本由恐龙所占据的生态位被鸟类所占据，新的生态环境为鸟类新物种形成创造了良好条件，导致它们在不到1500万年的时间快速产生很多新物种，在很大程度上也解释了为何现代鸟类具有如此丰富的多样性。
让人惊异的是，相比其它脊椎动物，鸟类基因组具有极其特别的特征。张国捷及其学生李彩研究发现，与其它爬行动物相比，鸟类基因组中重复序列的含量比较少，并且在鸟类祖先从爬行动物中分化出来后丢失了数千个基因。
张国捷说：“鸟类丢失的很多基因对于人类都有很重要的功能，在维持如生殖系统、骨骼生成和肺部系统等方面不可或缺。这些关键基因的丢失对于鸟类许多特有表型的演化可能有举足轻重的影响。这是个非常有趣的发现，通常认为的演化过程中产生的新性状和表现一般是新产生的遗传物质的产物，然而鸟类独特的演化过程提供了很特殊的例子，说明基因的丢失也能引发出新表型。”
研究人员还发现，从整个染色体水平到基因顺序，鸟类的基因组结构在过去1亿多年的时间内非常稳定。与哺乳动物相比，鸟类的基因演化速率也很慢。这是鸟类在超长时间跨度下，在基因组水平上展示出的特有宏观演化特征。
然而，一些具有相似生活习性或表型的鸟类，如具有鸣唱学习能力的鸣禽，它们的部分基因组区域表现出极其快速的演化速率。这种情况称为趋同演化，可能是一些亲缘关系很远的鸟类独立演化出相同表型的潜在机制。
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