鳥類飛羽精密構(gòu)造如何演化而來?9900萬年前羽毛化石研究揭秘
中新網(wǎng)北京5月16日電 (記者 孫自法)羽毛是鳥類征服天空的核心工具,核心中的核心是飛羽的精密構(gòu)造支撐和保障鳥類展翅飛翔。不過,受限于羽毛化石極難保存,飛羽的精密構(gòu)造如何一步步演化而來的待解謎團,備受古生物學(xué)家關(guān)注。
中國科學(xué)家團隊最近通過對緬甸晚白堊世(約9900萬年前)琥珀中5件珍稀羽毛化石進行深入研究,既填補了羽毛演化史的關(guān)鍵空白,也為重建早期鳥類飛行能力的演化路徑提供珍貴實證,啟示生物重要特征的創(chuàng)新往往通過“功能模塊的漸進組裝”實現(xiàn)。

這項破解鳥類羽毛超微結(jié)構(gòu)演化問題的重要研究,由國家自然博物館古生物研究團隊聯(lián)合中國科學(xué)院動物研究所、中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所、中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所、沈陽師范大學(xué)古生物學(xué)院、首都師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、中國社會科學(xué)院科技考古與文化遺產(chǎn)保護重點實驗室等機構(gòu)合作伙伴共同完成,相關(guān)成果論文近日在綜合性學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)通報》(Science Bulletin)上線發(fā)表。
為何研究
論文共同通訊作者、國家自然博物館裘銳副研究員介紹說,鳥類的飛羽由羽軸和兩側(cè)的羽枝組成,每根羽枝的兩側(cè)又分別具有兩排羽小枝。不過,羽小枝實際上一點也不“枝”,僅在末端一半呈細長狀,靠近基部一半的長度都是片狀,而且呈“L”形彎曲,這樣臨近的羽小枝彼此接觸,形成一個密實的面。為在飛行時維持這個面的穩(wěn)定,其中一側(cè)羽小枝的細長部分的腹面具有一排鉤子,稱之為羽小鉤;另一側(cè)羽小枝的片狀部分的背面則形成一個凹槽。羽小鉤嵌入于凹槽之內(nèi),形成類似拉鏈的互鎖結(jié)構(gòu),被稱為鉤槽聯(lián)鎖機制。
為進一步保持羽毛形狀的穩(wěn)定,具有凹槽一側(cè)的羽小枝的末端還具有結(jié)節(jié),以防止羽小鉤在受外力時在羽小枝上滑動,這一機制稱為級聯(lián)滑鎖系統(tǒng)。鉤槽聯(lián)鎖機制與級聯(lián)滑鎖系統(tǒng)雙重機制緊密結(jié)合,使飛行羽毛兼具超強抗撕裂能力與自修復(fù)功能。

相比于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的正羽的羽小枝,鳥類絨毛的羽小枝結(jié)構(gòu)就簡單得多,其基部呈柔軟的帶狀,中遠段像竹子一樣分成一節(jié)一節(jié),節(jié)與節(jié)之間有時具有小的刺。之前有研究從小刺和羽小鉤受力的情況分析,認為正羽的有鉤羽小枝起源于絨毛的節(jié)狀羽小枝,但這一理論卻缺乏直接的演化證據(jù)。
近年來,在中國遼寧西部、河北北部和內(nèi)蒙古東南部中生代地層發(fā)現(xiàn)的一系列帶羽毛恐龍化石,雖然為解決羽毛的宏觀演化提供諸多證據(jù),但羽毛的羽小枝等細微結(jié)構(gòu)往往在成巖時被破壞,這些在頁巖中保存的化石僅能保存羽毛的宏觀形態(tài)。因此,鳥類飛羽的鉤槽聯(lián)鎖機制與級聯(lián)滑鎖系統(tǒng)如何演化而來,此前始終缺乏直接證據(jù)。
如何研究
論文第一作者、中國科學(xué)院動物研究所博士后王佳佳表示,相比于在頁巖中保存的化石,在中生代琥珀中保存的羽毛化石在成巖過程中發(fā)生的形變較少,具有保存超微結(jié)構(gòu)的潛力。
這次對于約9900萬年前琥珀中的5件珍稀羽毛化石,研究團隊首先使用有機溶劑對羽毛化石表面進行局部處理,再利用激光共聚焦顯微鏡和掃描電鏡的聚焦離子束技術(shù),對琥珀中保存的三維羽毛結(jié)構(gòu)展開微米級解析,研究發(fā)現(xiàn)類型I、II羽毛兩塊突破性標本。
類型I羽毛近乎對稱的羽片由極細的羽軸支撐,羽枝基部寬度甚至小于分生的羽小枝,這樣纖細的羽軸顯然無法支持飛行,在化石中常見于與鳥類親緣關(guān)系比較近的非鳥恐龍。值得注意的是,這根羽小枝基部的橫截面呈現(xiàn)獨特的“L”形彎曲,與現(xiàn)代鳥類的飛羽相似,但缺乏鉤槽結(jié)構(gòu)。更令人驚訝的是,該羽小枝中遠段保留絨羽典型的結(jié)節(jié)結(jié)構(gòu)。
這些發(fā)現(xiàn)表明,羽毛從絨羽向飛羽的演化是通過“基部形態(tài)改造”與“末端功能強化”的分階段創(chuàng)新實現(xiàn)。絨羽的節(jié)狀羽小枝到正羽的有鉤羽小枝的變化很可能首先發(fā)生在基部,有柔軟易變形的帶狀轉(zhuǎn)變?yōu)閷掗煹钠瑺畈⒊省癓”形彎折。彎折之后的羽小枝形成一個類似三腳架的穩(wěn)定支撐,使之在受到外力時,也能盡量與羽枝之間維持一個穩(wěn)定的角度,羽小鉤直到演化的后期才出現(xiàn)。
類型II羽毛增厚的羽軸和不對稱羽片符合現(xiàn)代飛羽標準,其羽小枝背側(cè)首次發(fā)現(xiàn)明確凹槽,另一側(cè)的羽小枝腹側(cè)存在羽小鉤。二者尺寸吻合,說明互鎖機制已經(jīng)存在。但與現(xiàn)代鳥類的飛羽不同,其近端羽小枝腹側(cè)呈“J”形彎曲,導(dǎo)致相鄰羽小枝間存在空隙,空氣易從縫隙穿過,降低了羽毛的空氣動力學(xué)效率。這是首次發(fā)現(xiàn)中生代的鳥類羽毛雖然已具有和現(xiàn)代鳥類飛羽相似的宏觀特征,但與空氣動力學(xué)相關(guān)的細節(jié)特征尚有區(qū)別。
同時,研究團隊還在一件無羽軸的游離羽枝標本的近端羽小枝末端背側(cè)發(fā)現(xiàn)結(jié)節(jié),成為迄今最古老的羽毛級聯(lián)滑鎖系統(tǒng)實證。
有何成果
基于本次研究的系列新發(fā)現(xiàn),研究團隊提出羽毛演化的多階段修訂模型:
階段I代表最原始的單根細絲狀羽毛;階段II代表多分支,無羽軸的羽毛;由于羽小枝和羽軸誰先出現(xiàn)并不明確,分別用階段IIIa和IIIb代表羽小枝先出現(xiàn)假說和羽軸先出現(xiàn)假說;階段IIIa+b代表羽軸極細、羽小枝具結(jié)節(jié)但基部“L”形化的過渡形態(tài);階段IVa顯示羽軸增厚但無羽小鉤;階段IVb揭示羽軸增厚,出現(xiàn)羽小鉤;階段Va對應(yīng)反鳥類的空氣動力學(xué)效率較低的不完全優(yōu)化飛羽;階段Vb則指向今鳥類的現(xiàn)代高效飛羽。

研究團隊在觀察羽毛化石超微結(jié)構(gòu)的同時,還發(fā)現(xiàn)大量在羽小枝中呈原位保存的黑素體。雖然之前已有研究通過頁巖化石中殘留的黑素體復(fù)原帶羽毛恐龍及原始鳥類羽毛顏色,但由于羽小枝在保存過程中被破壞,并不能確定羽毛化石中黑素體的排列是否為原生狀態(tài)。
論文共同通訊作者、中國科學(xué)院動物研究所白明研究員指出,本項研究不僅發(fā)現(xiàn)呈原位保存的黑素體,還通過分析黑素體大小、形狀及其三維排列,揭示這些化石羽毛的原始色彩:類型I羽毛因特殊黑色素體層狀排列可能呈現(xiàn)“黑色帶紅色光澤”;類型II羽毛為單調(diào)的深灰色或“企鵝式純黑”;游離羽枝則為普通灰色。(完)


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