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Hans Journal of Computational Biology
Vol.07 No.02(2017), Article ID:21151,7 pages
10.12677/HJCB.2017.72003

The Relationship between Sexual Maturity Time and Body Length for Birds

Xun Zhou, Liaofu Luo*, Lirong Zhang*

School of Physical Science and Technology, Inner Mongolia University, Hohhot Inner Mongolia

*通讯作者。

Received: Jun. 8th, 2017; accepted: Jun. 25th, 2017; published: Jun. 28th, 2017

ABSTRACT

The sexual maturity time is an important parameter in the evolution of species. Based on the data from 48 birds, the correlation between the sexual maturity time and body length was analyzed. Then, a linear function y = 0.029x + 0.34 was obtained by fitting the data of 21 birds, and the correlation coefficient is R2 = 0.76. We found that the linear relationship of the two factors can be generalized to other species, such as some mammals. Based on the linear function, we estimated the sexual maturation time of the remaining 27 birds.

Keywords:Birds, Sexual Maturity Time, Body Length

鸟类性成熟时间与体长的关系

周勋，罗辽复*，张利绒*

内蒙古大学物理科学与技术学院，内蒙古 呼和浩特

收稿日期：2017年6月8日；录用日期：2017年6月25日；发布日期：2017年6月28日

摘 要

性成熟时间是物种进化的重要参量。本文以鸟类为研究对象，根据48种鸟类的性成熟时间与体长数据，分析了二者之间的相关性。拟合了21种鸟的性成熟时间与体长的资料，得到线性关系式y = 0.029x + 0.34，相关系数为R2 = 0.76。工作中还发现这一线性关系具有一定的普适性，例如在一些哺乳动物中也成立。根据所得鸟类性成熟时间与体长的线性公式，我们估算了其余27种鸟类的性成熟时间。

关键词 :鸟类，性成熟时间，体长

Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

地球上的生命在经历数百万年的进化过程之后，形成了一个种类极为繁多的庞大家族，在这个庞大家族中，鸟类和哺乳动物是重要的组成部分，它们的存在使地球变得多姿多彩。鸟类是白垩纪物种大灭绝事件中的幸存者，也是四足类动物中最丰富的一类脊椎动物，目前大约有一万多个鸟类物种生存在地球的不同环境当中 [1] 。哺乳动物亦称兽类，是脊椎动物中躯体结构、功能和行为最复杂的一个高等动物类群，它们能够适应各种环境条件，分布几乎遍及全球，广泛的适应辐射，形成了多种生态类群 [2] ,世界上的哺乳动物应该在7000种以上 [3] 。古生物学 [4] [5] [6] [7] [8] 和分子学 [9] 方面的证据表明，大约在6600万年前，猜测可能由于小行星撞击地球或是火山爆发而发生了著名的白垩纪–第三纪灭绝事件(Artistic depiction of asteroidal impact)，这次大范围的物种大灭绝事件造成了恐龙的灭亡与哺乳动物的兴起，也为鸟类新物种的爆发创造了条件并且提供了新的生存环境。

当动物生长发育到了一定的年龄，生殖器官发育完全，动物的生殖机能也达到了成熟的阶段，具备了正常的繁殖功能，达到性成熟，之后，物种进行繁殖。一个物种在地球上的生存时间等于性成熟时间(本文用γ表示性成熟时间)和传递世代数之积。从动物出生到性成熟的这段时间可看成该物种一代的平均寿命。因此，性成熟时间是物种进化的重要参数。从生存竞争的角度看，繁殖率低的物种就倾向于性成熟时间长。例如，与大多数鸟类相比，帝企鹅具有很低的繁殖能力，但是这种低繁殖能力却很好的适应了南极洲恶劣的环境，因为只有身体强壮且最有经验的鸟才能在如此恶劣的环境下找到充足的食物抚养幼鸟，而帝企鹅寿命的延长又补偿了他们极低的繁殖能力。根据中国最大的鸟类网(http://niaolei.org.cn/)以及The Princeton Encyclopedia of Birds [10] ，帝企鹅与其它大多数鸟的繁殖信息的比较见表1。

所以，从生物繁衍的角度看，性成熟时间也是物种的一个特征量。

性成熟时间在基因组进化理论中起着重要作用 [11] [12] 。而这个时间又是物种特异的，大部分物种的性成熟时间还不是很清楚。那么，物种的性成熟时间是否与体长有关？这是有趣的问题。本文将以鸟类为研究对象，重点探讨了它们的性成熟时间与体长之间的关系，研究了这个关系的普遍性，并用得到的相关结论对未知性成熟时间的鸟类进行推广。

Table 1. The low reproductive capacity and the high lifetime of emperor penguins

表1. 帝企鹅的低繁殖能力和高寿命

2. 鸟类性成熟时间与体长

在过去的数十年中，人们对鸟类物种的研究有了巨大的进展和突破，尤其是2014年，Jarvis等 [13] 通过使用能够代表主要现存分支的48种鸟类全基因组数据探索了鸟类的大演化。这48种鸟类物种被分成古颚总目(Palaeognathae)和今颚总目(Neognathae)，古颚总目是所有现代鸟类的姐妹群，今颚总目由鸡雁小纲(Galloanseres)和新鸟小纲(Neoaves)组成。Jarvis等发现，占现代鸟类95%物种的新鸟小纲(Neoaves)可以分成两大分支，分别被命名为雀类(Passerea)和鸽类(Columbea)，这两大分支分别独立趋同进化，从而产生了各自的陆生鸟类和水生鸟类。在本文，我们将以这48种鸟类为研究对象，研究鸟类性成熟时间与体长的关系。

目前，有关鸟类性成熟时间的数据很少，调研发现鸟类性成熟大多在孵化后一年之后，小型的鸟类孵化后，经9~12个月就达到性成熟，许多中型鸟类要满两年才会繁殖，大型的鹤、鸿鹅至少要三年，兀鸳却要4~6年才达到性成熟 [14] 。通过查找中国最大的鸟类网(http://niaolei.org.cn/)以及The Princeton Encyclopedia of Birds [10] 中的数据，我们得到了48种鸟类的体长以及其中21种鸟类的性成熟时间(表2)，包括4种特殊的鸟类(表2中*标注)。

首先，我们对全部21种鸟类的平均体长与平均性成熟时间作拟合分析(见图1(a))。然后，我们排除4种特殊的鸟类，对表2中前17种鸟类的平均体长与平均性成熟时间做拟合分析(见图1(b))。在排除的4种特殊鸟类中，非洲鸵鸟(古颚总目)和火鸡(鸡雁小纲)在分类上不属于新鸟小纲，它们带有更多的始祖鸟的特征，因此排除它们。啄羊鹦鹉栖地多在海拔950~1400公尺的高山中，生长环境相当艰困，是世上唯一真正生长于高山雪地中的鹦鹉，而暴风鹱生活在北欧斯堪的纳维亚以及格陵兰北部等极地地区的沿海地带，艰困的环境造成觅食的困难使得生命节奏变缓，因而这两种鸟类的性成熟时间比一般同类体长的鸟类长很多。由图1可知，当排除4种特殊的鸟类后，相关系数R2值达到0.76，这说明大部分鸟类的性成熟时间与体长具有简单的线性关系。

性成熟时间与体长具有线性关系这个结论是否适用于其他动物呢？为了验证结果是否具有普遍性，接下来，我们将对哺乳动物进行讨论。

3. 哺乳动物性成熟时间与体长

哺乳动物是动物发展史上最高级的阶段，同时也是与人类关系最密切的一个类群。由于哺乳动物性成熟时间的数据很少，通过查找360百科网(http://baike.so.com/)以及《动物——全世界100种动物的彩色图鉴》 [15] ，《动物大百科全书》 [16] ，《哺乳动物》 [17] ，《世界动物百科全书》 [18] 中的数据，我们得到了包括属于狐科、猫科、豹科、熊科等人们较为熟悉的36种哺乳动物的性成熟时间和体长(表3)。

我们对表3中哺乳动物的平均性成熟时间与平均体长进行拟合分析。首先，对全部36种哺乳动物进行分析(见图2(a))。经观察图2(a)发现，有两种哺乳动物(灵长类，表3中第35，36号)严重偏离拟合线，排除灵长类后，对其余哺乳动物再次进行分析，结果见图2(b)。因此除灵长类外，哺乳动物的性成熟时间与体长之间也具有良好的线性关系，R2值达到了0.91。灵长类具有比一般哺乳动物长的性成熟时间，可能和他们特定的生态环境和生理结构(如发达的大脑)有关。

4. 结果与讨论

通过以上分析，我们可以做出结论，尽管影响一种生物的性成熟时间的因素很多，遗传的因素，生理的因素，生态环境的因素等等，但大部分鸟类的性成熟时间与体长存在简单的线性关系，并且这个结论对于一些哺乳动物也能成立。按照图1(b)拟合所得到的线性公式y = 0.029x + 0.34以及鸟类的平均体长，我们估计出其余27种鸟类的性成熟时间(见表4)。这个估算结果预期和实际情况大体相符，除了个别小

Table 2. The sexual maturity time and the body length of 21 birds

表2. 21种鸟类的性成熟时间与体长

(a) (b)注：(a)为表2中全部鸟类平均体长与平均性成熟时间的拟合，(b)为表2中前17种鸟类平均体长与平均性成熟时间的拟合。

Figure 1. The relationship between the average body length and the average sexual maturity time fitting by birds

图1. 鸟类平均体长与平均性成熟时间的拟合

Table 3. The sexual maturity time and the body length of 36 mammals

表3. 36种哺乳动物的性成熟时间和体长

(a) (b)注：(a)为表3中全部哺乳动物平均体长与平均性成熟时间的拟合，(b)为表3中前34种哺乳动物平均体长与平均性成熟时间的拟合。

Figure 2. The relationship between the average body length and the average sexual maturity time fitting by mammals

图2. 哺乳动物平均体长与平均性成熟时间的拟合

Table 4. The sexual maturity time of 27 remaining birds

表4. 其余27种鸟类的性成熟时间

型鸟类的性成熟时间可能要比表中的估值要略高一些。

致谢

感谢基金项目：国家自然科学基金资助项目(批准号：61462068)和内蒙古自治区自然科学基金资助项目(批准号：2014MS0103)对本论文的大力支持。同时，也要对本文中引用文章的作者表示衷心的感谢。

文章引用

周勋,罗辽复,张利绒. 鸟类性成熟时间与体长的关系
The Relationship between Sexual Maturity Time and Body Length for Birds[J]. 计算生物学, 2017, 07(02): 23-29. http://dx.doi.org/10.12677/HJCB.2017.72003

参考文献 (References)

  1. 1. Zhang, G.J., Li, C., Li, Q.Y., Li, B., et al. (2014) Comparative Genomics Reveals İnsights into Avian Genome Evolution and Adaptation. Science, 346, 1311-1320. https://doi.org/10.1126/science.1251385

  2. 2. 刘健昕, 张劲硕. 世界哺乳动物种类和保护现状[J]. 生物学通报, 2008, 43(10): 1-3.

  3. 3. Reeder, D.M., Helgen, K.M. and Wilson, D.E. (2007) Global Trends and Biases in New Mammal Species Discoveries. Texas Tech University, 269, 1-35.

  4. 4. Feduccia, A. (1995) Explosive Evolution in Tertiary Birds and Mammals. Science, 267, 637. https://doi.org/10.1126/science.267.5198.637

  5. 5. Schulte, P., Alegret, L., Arenillas, I., et al. (2010) The Chicxulub Asteroid İmpact and Mass Extinction at the Cretaceous-Paleogene Boundary. Science, 327, 1214-1218. https://doi.org/10.1126/science.1177265

  6. 6. Longrich, N.R., Tokaryk, T. and Field, D.J. (2011) Mass Extinction of Birds at the Cretaceous-Paleogene (K-Pg) Boundary. Proceedings of the National Academy of Sciences, 108, 15253-15257. https://doi.org/10.1073/pnas.1110395108

  7. 7. Ksepka, D.T. and Boyd, C.A. (2012) Quantifying Historical Trends in the Completeness of the Fossil Record and the Contributing Factors: An Example Using Aves. Paleobiology, 38, 112-125.

  8. 8. Cohen, K.M., Finney, S.C., Gibbard, P.L., et al. (2013) The ICS İnternational Chronostratigraphic Chart. Episodes, 36, 199-204.

  9. 9. Ericson, P.G.P., Anderson, C.L., Britton, T., et al. (2006) Diversification of Neoaves: İntegration of Molecular Sequence Data and Fossils. Biology Letters, 2, 543-547. https://doi.org/10.1098/rsbl.2006.0523

  10. 10. Christopher, P. (2009) The Princeton Encyclopedia of Birds. Princeton University Press, Princeton.

  11. 11. Luo, L.F. (2014) A Model On Genome Evolution. http://arxiv.org/abs/1411.2205

  12. 12. Luo, L.F. (2015) Quantum Theory on Genome Evolution. https://doi.org/10.1101/034710

  13. 13. Jarvis, E.D., Mirarab, S., Aberer, A.J., et al. (2014) Whole-Genome Analyses Resolve Early Branches in the Tree of Life of Modern Birds. Science, 346, 1320-1331. https://doi.org/10.1126/science.1253451

  14. 14. 许维枢. 鸟类学基础知识[J]. 野生动物, 1984(3): 48-51.

  15. 15. 潘清华. 中国哺乳动物彩色图鉴[M]. 北京: 中国林业出版社, 2007.

  16. 16. 佛瑞的•库克, 休•丁戈尔. 世界动物百科全书[M]. 济南: 明天出版社, 2005.

  17. 17. 刘晓菲. 动物——全世界100种动物的彩色图鉴[M]. 北京: 中国华侨出版社, 2013.

  18. 18. 程高龄, 张红卫. 动物大百科全书[M]. 北京: 中国华侨出版社, 2011.

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