帶羽毛的恐龍可以像鳥兒一樣飛翔嗎？

作者：陳孝政、泮燕紅 （中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物所）

文章來源于科學(xué)大院公眾號(hào)（ID：kexuedayuan）

鳥類的起源問題曾經(jīng)是古生物學(xué)界長期爭論的焦點(diǎn)之一。羽毛是鳥類區(qū)別于其他生物的重要特征，最近二十多年來，由于中國一系列帶羽毛的恐龍和早期鳥類化石的發(fā)現(xiàn)，為鳥類起源于恐龍的學(xué)說提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。

鳥類起源于恐龍已經(jīng)成為科學(xué)界共識(shí)（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

然而，帶羽毛的恐龍跟真正的鳥類有哪些關(guān)鍵的區(qū)別？它們是否可以跟鳥類一樣自由飛翔？這些問題，仍然吸引著科學(xué)家甚至公眾的興趣，問題的答案，也許就藏在化石的微細(xì)結(jié)構(gòu)——甚至是分子結(jié)構(gòu)中。

今天我們故事的主角，就是生活在侏羅紀(jì)的近鳥龍。

近鳥龍是迄今發(fā)現(xiàn)的最早的帶羽毛的恐龍之一，過去對(duì)其功能形態(tài)學(xué)的分析指示其具有一定的飛行能力，但是由于缺乏直接的證據(jù)，因此對(duì)其飛行能力的推測一直存在爭議。

近鳥龍化石，可見其前肢和后肢均長有長羽毛。

1月28日，由中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所泮燕紅博士等完成的題為“羽毛分子演化的化石直接證據(jù)”的研究成果，在線刊登在《美國科學(xué)院院報(bào)》（PNAS）上，為探討早期羽毛的演化提供了重要的分子生物學(xué)證據(jù)。

該研究顯示，以近鳥龍為代表的帶毛恐龍雖然可能具備了一定的飛行能力，但其羽毛的分子構(gòu)成還不足以支撐與鳥類類似的飛行。

近鳥龍：“什么，你說我長了翅膀也飛不過鳥？” （圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

現(xiàn)代鳥類的飛羽主要由β-角蛋白構(gòu)成，這一結(jié)構(gòu)蛋白賦予其特殊的生物力學(xué)屬性（如柔韌性、彈性和強(qiáng)度），從而能夠適應(yīng)飛行的需要。然而，鳥類祖先的羽毛是否也具有同樣的蛋白組成和結(jié)構(gòu)呢？

對(duì)這一問題的解答不僅可以揭示早期羽毛分子演化的過程，而且還能為研究帶羽毛恐龍的飛行能力提供新的線索。

羽毛演化的幾個(gè)過程（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

研究人員利用多種現(xiàn)代超微結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)、原位元素分析和免疫學(xué)的方法，對(duì)產(chǎn)自我國侏羅紀(jì)地層（距今約1.6億年前）的近鳥龍的羽毛化石開展了深入的研究和對(duì)比。

鑒于β-角蛋白形成的構(gòu)架纖維直徑通常只有3納米左右，而α-角蛋白構(gòu)架纖維直徑通?？蛇_(dá)8-10納米，科研人員采用高分辨率的掃描電鏡和透射電鏡分析，對(duì)多種化石羽毛的微細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察和對(duì)比。

現(xiàn)生鳥類羽毛（左）與近鳥龍前肢羽毛（右）的超微結(jié)構(gòu)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)近鳥龍羽毛除了短而細(xì)的結(jié)構(gòu)纖維外，還存在很多更粗壯的結(jié)構(gòu)纖維，也就是α-角蛋白。

此外，他們還進(jìn)一步通過化學(xué)元素和免疫學(xué)分析（包括免疫熒光和免疫電鏡）進(jìn)行原位檢測，用以區(qū)分不同類型的角蛋白。

現(xiàn)生鳥類羽毛（上）與近鳥龍羽毛化石（下）的免疫生化特征，它們都可以被免疫熒光染色。

研究結(jié)果顯示，近鳥龍的飛羽主要由α-角蛋白構(gòu)成，但同時(shí)還具有少量的β-角蛋白，不同于現(xiàn)代鳥類的羽毛構(gòu)成。

運(yùn)用分子生物學(xué)方法，科研人員還進(jìn)一步探究了1.3億年前始孔子鳥、1.25億年前燕鳥等多種原始鳥類的羽毛結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，越靠近現(xiàn)代的鳥類，飛羽中β-角蛋白含量越高。對(duì)一件距今2千多萬年前的鳥類飛羽化石的研究發(fā)現(xiàn)，羽毛分子結(jié)構(gòu)已經(jīng)和現(xiàn)生鳥類完全相同。

雌雄孔子鳥化石，標(biāo)本現(xiàn)藏于南京古生物所。

這些結(jié)果表明，近鳥龍的羽毛在蛋白分子的構(gòu)成上，代表了早期羽毛從不適于飛行向現(xiàn)生鳥類羽毛演化的過渡類型。

中生代恐龍和鳥類系統(tǒng)樹揭示羽毛分子結(jié)構(gòu)的重要演化階段。

該項(xiàng)研究同時(shí)也彰顯了整合形態(tài)學(xué)、發(fā)育學(xué)和分子生物學(xué)多學(xué)科數(shù)據(jù)和研究對(duì)探討重大生物演化事件的重要性。

一般認(rèn)為構(gòu)成生物體的有機(jī)大分子隨著降解過程的發(fā)生，原本穩(wěn)定的化學(xué)鍵被破壞從而不復(fù)存在。但隨著近年來各種分析技術(shù)的發(fā)展，越來越多的大分子化石被發(fā)現(xiàn)，為我們了解化石及其代表的生物和環(huán)境意義提供了更多緯度的信息。

隨著學(xué)科的交叉和技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的古生物學(xué)研究，也將由此煥發(fā)新的生機(jī)。

博物館里的已經(jīng)研究過標(biāo)本仍然具有重要研究潛力！所以，請(qǐng)善待每一件化石！

中科院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所周忠和院士、臨沂大學(xué)鄭曉廷教授、美國北卡羅來納州立大學(xué)Mary Schweitzer教授及其團(tuán)隊(duì)成員參加了本項(xiàng)研究。相關(guān)研究工作得到了中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委等的支持。

本文由中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）“關(guān)鍵地史時(shí)期生物與環(huán)境演變過程及其機(jī)制”項(xiàng)目支持，中科院南古所創(chuàng)作。