[科普中国]-鸟类真的是恐龙变来的吗？最新研究发现：带羽毛的近鸟龙不会飞

鸟类的起源问题，一直是学术界的研究热点。目前比较流行的观点认为，鸟类是从恐龙的一个分支--兽脚类（也称兽脚亚目）演化而来的，兽脚亚目有一个极具多样性的演化分支，称作虚骨龙类，被认为是鸟类的共同祖先。虚骨龙是一种小型恐龙，此前的研究发现，虚骨龙类具有类似鸟类锁骨（叉骨）的雏形，手部出现半月形腕骨（使腕部关节相当灵活，可以做出类似鸟类的手掌收叠于前肢侧的动作），并且尾骨出现缩短和愈合现象，表明恐龙已经具有适应飞翔的进化趋势。但它们究竟是何时获得飞行能力的，仍是论证鸟类起源问题的关键。近年，我国辽宁省发现的一块约1亿6千万年前的近鸟龙（虚骨龙的一个演化支）化石表明，恐龙也长有羽毛。这为鸟类的起源研究、尤其是恐龙到鸟的演化研究提供了新线索和新思路。图注：近鸟龙的化石及想象复原图；来源：Wikipedia.org在1月28日发表于《美国科学院院刊》的一篇论文中，来自中国科学院南京地质古生物研究所的泮燕红博士及其合作者一起，从分子水平上解析了近鸟龙的羽和各时期鸟类的羽的结构差异。结果发现：近鸟龙的羽中已经有了一些现代鸟羽中富含的蛋白，并且，越靠近现代的鸟类，飞羽中支持飞行的蛋白含量越高。该研究不仅为探讨早期羽毛的演化提供了重要的分子生物学证据，还揭示了一个十分有趣的结论：带羽毛的恐龙不能像鸟一样飞行。这对于更好地了解物种演化过程中从“恐龙”到“鸟类” 的跨越无疑有着重要的意义。羽毛的演化历程和分子构成根据目前流行的观点，羽毛演化历史分为五个阶段。鸟类最开始的时候羽毛像电线般，后来这些电线开始分叉，产生比较小的分支，分支进一步组合在一起，最后羽毛逐渐演化成了今天我们所看到的大多数鸟类羽毛的样子。当然这是一个漫长的过程。此外，鸟类羽毛的功能在演化中也变得多种多样，比如具有“炫耀”作用的孔雀羽毛，具有“飞翔”作用的鹰类羽毛等。图注：鸟类羽毛形态演化史；来源：网络泮燕红在接受采访时表示，鸟类羽毛的演化一直是一个热点问题，要回答这一问题，不仅要有其结构蛋白组成方面的证据，还需要其他的研究成果一起来全面还原鸟类羽毛演化的真相。蛋白质是生物体实现功能的载体，并且“结构决定功能”，角蛋白作为羽毛的主要结构蛋白，具有不易被分解、在化石中保存良好的特点，以角蛋白分子作为研究材料，有可能会为“带羽毛的恐龙何时学会飞行”这样的问题提供直接的分子证据。那么角蛋白是怎样的一种蛋白呢？在整个演化史中，角蛋白都是构成羽毛的主要蛋白。角蛋白不溶于水、盐溶液、稀酸或稀碱，广泛存在于发、毛、鳞、羽、甲、蹄、角、爪、喙、丝及其他表皮结构中。通过X射线衍射分析，角蛋白根据不同的二级结构可以分为两种类型，含有α-螺旋结构的α-角蛋白和含有β-折叠片层结构的β-角蛋白。图注：α 和 β 角蛋白的结构示意图，前者为螺旋结构（左），后者为折叠结构（右）；来源：meyersgroup.ucsd.edu半胱氨酸（Cys，一种氨基酸）在蛋白质交联中提供硫基，两个半胱氨酸在脱氢酶的作用下形成二硫键，组成一个胱氨酸，并且将蛋白质交联在一起。角蛋白中存在着大量的胱氨酸，因此它的化学性质特别稳定，有较高的机械强度并且不易被溶解和消化。现代鸟类的飞羽主要由β-角蛋白构成，这一结构蛋白赋予其特殊的生物力学属性--如柔韧性、弹性和强度，从而能够适应飞行的需要。然而带羽毛的近鸟龙，它们的羽毛是否也具有同样的蛋白构成呢？换言之，它们是否可以飞行呢？近鸟龙羽毛的秘密如前所述，现代鸟类的飞羽中主要是β-角蛋白。相比于α-角蛋白，β-角蛋白形成的构架纤维直径更小，通常只有3纳米左右，而α-角蛋白构架纤维直径通常可达8~10纳米。基于这一差异，科研人员采用高分辨率的扫描电镜和透射电镜分析，对多种化石羽毛的微细结构进行了观察和对比。结果发现，近鸟龙羽毛除了短而细的结构纤维外，还存在很多更粗壮的结构纤维，也就是α-角蛋白。图注：现生鸟类羽毛（左）与近鸟龙前肢羽毛（右）的超微结构对比，后者存在更多粗壮的结构纤维；来源：《美国科学院院刊》此外，他们还进一步通过化学元素和免疫学分析（包括免疫荧光和免疫电镜）进行原位检测，用以区分不同类型的角蛋白。图注：现生鸟类羽毛（上）与近鸟龙羽毛化石（下）的免疫生化特征，它们都可以被免疫荧光染色（荧光越强表示β-角蛋白量越多）；来源：《美国科学院刊》最终，泮燕红和同事从分子层面发现，近鸟龙羽毛和现生鸟类羽毛中都存在α角蛋白和β角蛋白，但是近鸟龙羽毛中的α角蛋白含量明显高于现生鸟类。他们进一步探究了1.3亿年前的始孔子鸟、1.25亿年前的燕鸟等多种原始鸟类的羽毛结构，并发现越靠近现代的鸟类，飞羽中β-角蛋白含量越高。另外，在对一件距今2000多万年的鸟类飞羽化石的研究中发现，其羽毛分子结构已经和现生鸟类完全相同。这些结果表明，近鸟龙的羽毛在蛋白分子的构成上，代表了早期羽毛从不适于飞行向现生鸟类羽毛演化的过渡类型。也就是说，那时的近鸟龙可能还不会像现生鸟类一样飞翔。更多问题待展开近鸟龙化石的发现，不仅为羽毛演化的研究提供了优良的实验材料，也为鸟类起源研究提供了新的实验思路。目前的很多证据都表明，鸟类是从恐龙的一个分支--兽脚类演化来的。而羽毛本身的演化，则涉及到一系列问题，例如羽毛最早出现在什么动物中？最初的功能是什么？是飞行吗？如果不是飞行，它与飞行又有什么关系？在鸟类起源的过程中，原始羽毛经历了哪些解剖学、分子结构以及功能的演化过程，是目前鸟类起源研究中的一个还需要深入研究的重要问题。对于未来，泮燕红表示，她和同事会寻找更多的羽毛分子演化证据，并结合目前最新的研究方法，例如原位电离质谱、超高分辨率电子显微镜等，尽可能地还原羽毛分子演化过程。届时，相信我们不仅能确证恐龙到鸟演化假说的正确性，还能发现更多有趣和意想不到的细节。附：近鸟龙复原图赫氏近鸟龙化石（发现于辽宁省）作者 | 王钰审稿 | 泮燕红 中科院南京地质古生物研究所博士编辑 | 高佩雯文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自“科普中国”