蝙蝠羽翼的鸟儿祖先,中华夏族民共和国鸟类起点钻探进入

恐龙会飞吗?如果是三十年前你指着博物馆里的标本说“会飞的恐龙”,可能会被人善意地纠正——“那是翼龙,翼龙不属于恐龙”。不过今天我们已经知道,恐龙里面也有能飞的。中生代中期,在恐龙类统治大地的过程中,出现了一支不拘常规、极富勇气的飞行军——披羽恐龙。它们与翼龙一样,也飞上了蓝天,各自独立发展出飞行技法,翱翔于空际;但更重要的是,这些恐龙的后裔一直存活到了今天,那就是我们每天所见到的鸟类。以演化树的观点来看,我们身边飞行的这些小动物,都是恐龙。

中国鸟类起源研究进入“井喷期”

这些多姿多彩的披羽恐龙的研究,很大程度上得益于中国辽宁西部及周边地区大量发现的似鸟恐龙化石。它们所代表的鸟类起源问题,近年来取得了一系列重大进展,和人造探测器首次登陆彗星等一起入选美国《科学》杂志评选的2014年度世界10大科学突破。

位于山东省平邑县的山东天宇自然博物馆,保存着一件来自河北省青龙县侏罗系地层的化石。在这座号称全世界最大的恐龙博物馆的39万余件馆藏展品中,它说不上有多么引人注目。

有趣的是,直到最近,上述的似鸟恐龙都有一个共同特点:“片状飞羽”。也就是说,它们有一片片的羽毛,就像它们的后裔——鸟类一样。片状飞羽是它们的独门绝技,别无分店,我们过去也以为这是它们唯一的绝招。但是,中国科学家郑晓廷和徐星等人在4月30日出版的英国《自然》(Nature)杂志上,报道了一种生活于约1.6亿年前的小型似鸟恐龙——它竟然具有类似蝙蝠的翅膀。我也参与了这项研究(点击读论文全文)。

直到4月30日,英国《自然》杂志在线刊登了一篇中国学者的论文后,人们才发现了这块化石的绝妙之处——这种被命名为“奇翼龙”的小型恐龙,将人类对鸟类起源的认识又向前推进了一步。

图片 1奇翼龙的艺术复原图。图片来源:恐龙星际

奇翼龙属于一个名叫擅攀鸟龙类的恐龙类群,这一类群与鸟类的亲缘关系非常近,但长相奇特,有着短粗的头,外侧指部极长,尤其是其僵硬的羽毛呈丝状,更接近原始羽毛,而不像其他似鸟恐龙和鸟类拥有的片状羽毛。

图片 2奇翼龙化石照片。图片来源:郑晓廷

然而,这还并不是奇翼龙最古怪的地方。中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员徐星和临沂大学教授郑晓廷带领的一个科研团队研究了这种生活于约1.6亿年前的小恐龙,发现了奇翼龙腕部有一个棒状长骨结构,但类似结构从来没有在其他恐龙中发现过。

这只来自河北青龙县侏罗系地层的小恐龙被命名为奇翼龙(Yi
qi
),从恐龙的分类上,它属于兽脚类中的擅攀鸟龙类(scansoriopterygids),拉丁名意为“攀爬的翼”。这类恐龙拥有独特的适应性特征,可能过着树栖的生活,其成员还包括发现于内蒙古宁城的树息龙和耀龙。这一恐龙类群与鸟类亲缘关系非常近,但长相非常奇特,有着短粗的头,手部外侧手指极长,尤其是其僵硬的羽毛呈丝状,更接近原始羽毛,而不像其他似鸟恐龙和鸟类拥有的片状羽毛。

参与奇翼龙研究的古脊椎所加拿大籍副研究员舒克文对这块骨头感到一筹莫展。一次偶然的机会,他因为另外一个完全不同的项目查阅有关飞翔和滑翔脊椎动物的科学文献,碰巧在一篇文献中看到这样的章节,说鼯鼠具有一个棒状软骨结构,与腕部或肘部关联,支撑翼膜用以滑翔。

图片 3奇翼龙头骨化石。图片来源:郑晓廷

“随后,我在网上找到了一张日本鼯鼠腕部棒状结构的照片,它和奇翼龙腕部棒状结构惊人地相似,我立即告诉了徐星。”舒克文说。

但最神奇的地方,是奇翼龙腕部的一根棒状长骨结构。类似结构从来没有在其他恐龙当中发现过,但却在一些会飞的四足动物的腕部,或者肘部,或者踝部附近存在,这些动物包括蝙蝠、翼龙和鼯鼠等。奇翼龙腕部的棒状结构和日本鼯鼠腕部长着的棒状结构尤其相像。在所有这些动物中,这种棒状结构都支撑着翼膜,用于飞行或者滑翔。在奇翼龙标本上,我们确实也在棒状结构和手指附近发现了残缺翼膜。这意味着奇翼龙有着和鸟类及其恐龙近亲完全不同的翅膀,它的翅膀像蝙蝠和其他会飞的四足动物一样,主要由翼膜构成,而不是像鸟类及其近亲那样主要由羽毛构成。在恐龙身上,这个发现是第一例。

为了揭示这一标本保存的重要信息,尤其是确认这个棒状结构的性质,徐星等采用了CT和扫描电镜等多种仪器对化石进行了分析,获取了包括软体组织上保存的黑色素体在内的信息,还分析了化石围岩和化石上的化学组分,最终确认了奇翼龙腕部的棒状结构是翼膜翅膀的关键组成部分。

图片 4奇翼龙标本右侧的棒状骨结构(红色线条所指的结构),可以看到其端部周围保存着翼膜组织,以及丝状的羽毛结构。图片来源:郑晓廷

“这件标本太过奇特,保存也不够精美,我们花费了很长时间才确认了这一结构。”徐星说。

由于这件标本太过奇特,保存也不够精美,我们花费了很长时间才确认了这一结构。而为了揭示这个棒状结构的性质,我们采用了CT和扫描电镜等多种仪器对化石进行分析,获取了包括软体组织上保存的黑色素体在内的宏观和微观信息,还分析了化石围岩和化石上的化学组分,最终确认了奇翼龙腕部的棒状结构是翼膜翅膀的关键组成部分。

飞进“死胡同”的恐龙?

研究尘埃落定,我们已经可以相当确定地说,侏罗纪中期,在鸟类的恐龙近亲竞相“飞天”的过程中,带着翼膜的奇翼龙可谓独树一帜,它是这个飞翔演化过程中的一个先锋。它提醒我们,在飞行演化的早期历史中,兽脚类恐龙有着诸多创新性的尝试,许多支系不幸进了演化的死胡同,只有现生鸟类的这种飞行模式延续至今。

奇翼龙的这块骨头,在如今的一些会飞的四足动物腕部、肘部或者踝部附近存在,除了鼯鼠,蝙蝠也是一个典型的例子。在所有这些动物中,这种棒状结构都支撑着翼膜,用于飞行或者滑翔。

值得一提的是,奇翼龙(Yi
qi
)中的属名和种名还是已知最短的恐龙学名。这个学名也凸显了在恐龙向鸟类演化的过程中,这一物种演化出了一个非常奇特的翅膀,完全不同于其他似鸟恐龙和鸟类的翅膀。奇翼龙的发现,为翼膜状飞行器官的趋同演化提供了一个绝佳实证,表明即便是在以羽翼为特征的鸟类支系上,也曾出现过翼膜翅膀。

在奇翼龙标本上,研究者确实也在棒状结构和指部附近发现了残缺翼膜。这意味着奇翼龙有着和鸟类及其恐龙近亲完全不同的翅膀,它的翅膀像蝙蝠一样,主要由翼膜构成,而不是像鸟类及其近亲那样主要由羽毛构成。

尽管通过形态特征的分析和飞行能力的计算,我们相信奇翼龙的翅膀具有空气动力学功能,但奇翼龙并不算是特别擅长飞行,它的空中生活似乎只限于在树木之间做短距离的飞翔,或者从高处飞翔到地面。我们还无法确定奇翼龙是采用扑翼飞行,滑翔,还是二者兼具。最后一个方式的可能性要更大一些,也就是可能以滑翔为主,辅助以扑翼飞行。过去从事鸟类飞行起源的研究者一直忽视了这个方式,但现在看来,这恰恰是未来探索的一个重要方向。

尽管通过形态特征分析和飞行能力计算,研究者相信奇翼龙的翅膀具有空气动力学功能,但奇翼龙并不是一个具有竞争力的飞翔者,它的空中生活似乎只限于在树木之间做短距离飞翔,或者从高处飞到地面。“我们还无法确定奇翼龙是采用扑翼飞行,滑翔,还是二者兼具。”徐星坦言,“但这是未来探索的一个重要方向,奇翼龙可能以滑翔为主,辅助以扑翼飞行。”

图片 5中科院古脊椎动物与古人类研究所张福成研究员在奇翼龙发现地组织的野外发掘。图片来源:张福成

“奇翼龙生活在侏罗纪中期,因此它算是在鸟类支系飞翔演化过程中的一个先锋。”郑晓廷说,“它提醒我们,在飞翔演化的早期历史中,充满了创新尝试,许多支系走进了演化的死胡同,只有现生鸟类的这种飞行模式延续至今。”

主导此次研究的是临沂大学郑晓廷教授和中国科学院古脊椎动物与古人类研究所徐星研究员,参加本次研究工作的还有临沂大学王孝理和王岩、中国地质大学(北京)的邢立达、天宇自然博物馆的张晓梅、中科院古脊椎动物与古人类研究所的舒克文、张福成和邹晶梅以及南京地质古生物研究所的泮燕红。本项研究工作得到了中国国家自然科学基金委和科技部的资助。(编辑:Ent)

中国鸟类起源研究进入“井喷期”

参考文献

  1. Xing Xu, Xiaoting Zheng, Corwin Sullivan, Xiaoli Wang, Lida Xing,
    Yan Wang, Xiaomei Zhang, Jingmai K. O’Connor , Fucheng Zhang, and
    Yanhong Pan. A bizarre Jurassic maniraptoran theropod with preserved
    evidence of membranous wings. Nature (2015)
  2. Xing Xu, Zhonghe Zhou, Robert
    Dudley, Susan Mackem, Cheng-Ming Chuong, Gregory M. Erickson, and
    David J. Varricchio. An integrative approach to understanding bird
    origins. Science 346 (6215): DOI: 10.1126/science.1253293
    (2014) 

2014年12月19日出版的《科学》杂志,将鸟类起源研究与人造探测器首次登陆彗星等一起,评为2014年度世界十大科学突破。

从上世纪70年代开始,在美国耶鲁大学教授John
Ostrom等人的努力下,鸟类起源于手盗龙类恐龙的假说成为了学界的主流。然而,庞大的手盗龙类如何演化为灵巧的现代鸟类,其中还存在着许多难解之谜。

从世界上最小的兽脚类恐龙——小盗龙,到摘下鸟类祖先始祖鸟的“光环”,再到迄今世界上体形最大的带羽毛恐龙——华丽羽王龙……得益于中国似鸟恐龙和早期鸟类化石的大量发现,近年来,中国鸟类起源研究取得了一系列重大进展,让这块拼图日渐完整。

近年来,采用整合手段研究演化问题成为学科新趋势,许多学者从现生动物解剖学、生理学、发育生物学,乃至基因组学角度开始对鸟类起源展开了探讨,取得了一批成果。

“我国需要加强各个学科交流,采用整合手段在鸟类起源方向展开深入研究,保持这一研究方向的领先优势,推动更多相关问题的解决。”徐星说,“这一领域依然存在许多要解答的问题,依然是目前古生物学和演化生物学的研究热点。”