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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

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

  中新社北京5月16日電 (記者 孫自法)羽毛是鳥類征服天空的核心工具,核心中的核心則是飛羽的精密構(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(tuán),備受古生物學(xué)家關(guān)注。

  中國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)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(jìn)行深入研究,既填補(bǔ)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(shí)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(jìn)組裝”實(shí)現(xiàn)。

本項(xiàng)研究的5件羽毛琥珀標(biāo)本。(研究團(tuán)隊(duì) 供圖)

  這項(xiàng)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(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國科學(xué)院動物研究所等多家科研機(jī)構(gòu)及高校的合作伙伴共同完成,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。

  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(cè)的羽枝組成,每根羽枝的兩側(cè)又分別具有兩排羽小枝。其鉤槽聯(lián)鎖機(jī)制與級聯(lián)滑鎖系統(tǒng)雙重機(jī)制緊密結(jié)合,使飛行羽毛兼具超強(qiáng)抗撕裂能力與自修復(fù)功能。然而,鳥類飛羽的鉤槽聯(lián)鎖機(jī)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)。

  論文第一作者、中國科學(xué)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(jié)構(gòu)的潛力。

  研究團(tuán)隊(duì)對9900萬年前的5件琥珀羽毛化石,首先使用有機(jī)溶劑進(jìn)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(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羽毛兩件突破性標(biāo)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(qiáng)化”的分階段創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)。

  類型II羽毛是首次發(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(xì)節(jié)特征尚有區(qū)別。

  研究團(tuán)隊(duì)還在一件無羽軸的游離羽枝標(biāo)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(shí)證。

本項(xiàng)研究提出的多階段羽毛演化的修訂模型。(研究團(tuán)隊(duì) 供圖)

  基于本次研究的系列新發(fā)現(xiàn),研究團(tuán)隊(duì)提出羽毛演化的多階段修訂模型:最原始的單根細(xì)絲狀羽毛;多分支、無羽軸的羽毛;羽小枝先出現(xiàn)假說和羽軸先出現(xiàn)假說;羽軸極細(xì)、羽小枝具結(jié)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(xiàn)羽小鉤;反鳥類的空氣動力學(xué)效率較低的不完全優(yōu)化飛羽;今鳥類的現(xiàn)代高效飛羽。

  研究團(tuán)隊(duì)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。

  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(xiàng)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)

【編輯:李潤澤】
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