鳥類飛羽精密構造如何演化而來？9900萬年前羽毛化石研究揭秘

羽毛是鳥類征服天空的核心工具，核心中的核心則是飛羽的精密構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，飛羽的精密構造如何一步步演化而來的待解謎團，備受古生物學家關注。

中國科學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，并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。

本項研究的5件羽毛琥珀標本。(研究團隊 供圖)

這項破解鳥類羽毛超微結構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合中國科學院動物研究所等多家科研機構及高校的合作伙伴共同完成，相關成果論文近日在綜合性學術期刊《科學通報》(Science Bulletin)上線發(fā)表。

論文共同通訊作者、國家自然博物館裘銳副研究員表示，鳥類的飛羽由羽軸和兩側的羽枝組成，每根羽枝的兩側又分別具有兩排羽小枝。其鉤槽聯鎖機制與級聯滑鎖系統(tǒng)雙重機制緊密結合，使飛行羽毛兼具超強抗撕裂能力與自修復功能。然而，鳥類飛羽的鉤槽聯鎖機制與級聯滑鎖系統(tǒng)如何演化而來，此前始終缺乏直接證據。

論文第一作者、中國科學院動物研究所博士后王佳佳介紹說，相比頁巖中保存的化石，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，具有保存超微結構的潛力。

研究團隊對9900萬年前的5件琥珀羽毛化石，首先使用有機溶劑進行表面局部處理，再利用激光共聚焦顯微鏡和掃描電鏡的聚焦離子束技術，對琥珀中保存的三維羽毛結構展開微米級解析，研究發(fā)現類型I、II羽毛兩件突破性標本。

類型I羽毛的研究表明，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。

類型II羽毛是首次發(fā)現中生代的鳥類羽毛，雖然已具有和現代鳥類飛羽相似的宏觀特征，但與空氣動力學相關的細節(jié)特征尚有區(qū)別。

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發(fā)現結節(jié)，成為迄今最古老的羽毛級聯滑鎖系統(tǒng)實證。

本項研究提出的多階段羽毛演化的修訂模型。(研究團隊 供圖)

基于本次研究的系列新發(fā)現，研究團隊提出羽毛演化的多階段修訂模型：最原始的單根細絲狀羽毛；多分支、無羽軸的羽毛；羽小枝先出現假說和羽軸先出現假說；羽軸極細、羽小枝具結節(jié)但基部“L”形化的過渡形態(tài)；羽軸增厚但無羽小鉤；羽軸增厚，出現羽小鉤；反鳥類的空氣動力學效率較低的不完全優(yōu)化飛羽；今鳥類的現代高效飛羽。

研究團隊在觀察羽毛化石超微結構的同時，還發(fā)現大量在羽小枝中呈原位保存的黑素體。

論文共同通訊作者、中國科學院動物研究所白明研究員指出，本項研究不僅發(fā)現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“黑色帶紅色光澤”；類型II羽毛為單調的深灰色或“企鵝式純黑”；游離羽枝則為普通灰色。