羽毛是鳥(niǎo)類(lèi)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(niǎo)類(lèi)展翅飛翔。不過(guò)，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(lái)的待解謎團(tuán)，備受古生物學(xué)家關(guān)注。

中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)最近通過(guò)對(duì)緬甸晚白堊世(約9900萬(wàn)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(niǎo)類(lèi)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(guò)“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(niǎo)類(lèi)羽毛超微結(jié)構(gòu)演化問(wèn)題的重要研究，由國(guó)家自然博物館古生物研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院動(dòng)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(bào)》(Science Bulletin)上線(xiàn)發(fā)表。

論文共同通訊作者、國(guó)家自然博物館裘銳副研究員表示，鳥(niǎo)類(lèi)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(jí)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(niǎo)類(lèi)飛羽的鉤槽聯(lián)鎖機(jī)制與級(jí)聯(lián)滑鎖系統(tǒng)如何演化而來(lái)，此前始終缺乏直接證據(jù)。

論文第一作者、中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所博士后王佳佳介紹說(shuō)，相比頁(yè)巖中保存的化石，中生代琥珀中保存的羽毛化石在成巖過(guò)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(duì)9900萬(wàn)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(duì)琥珀中保存的三維羽毛結(jié)構(gòu)展開(kāi)微米級(jí)解析，研究發(fā)現(xiàn)類(lèi)型I、II羽毛兩件突破性標(biāo)本。

類(lèi)型I羽毛的研究表明，羽毛從絨羽向飛羽的演化，是通過(guò)“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(lèi)型II羽毛是首次發(fā)現(xiàn)中生代的鳥(niǎo)類(lèi)羽毛，雖然已具有和現(xiàn)代鳥(niǎo)類(lèi)飛羽相似的宏觀(guān)特征，但與空氣動(dòng)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(wú)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(jí)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(wú)羽軸的羽毛；羽小枝先出現(xiàn)假說(shuō)和羽軸先出現(xiàn)假說(shuō)；羽軸極細(xì)、羽小枝具結(jié)節(jié)但基部“L”形化的過(guò)渡形態(tài)；羽軸增厚但無(wú)羽小鉤；羽軸增厚，出現(xiàn)羽小鉤；反鳥(niǎo)類(lèi)的空氣動(dòng)力學(xué)效率較低的不完全優(yōu)化飛羽；今鳥(niǎo)類(lèi)的現(xiàn)代高效飛羽。

研究團(tuán)隊(duì)在觀(guān)察羽毛化石超微結(jié)構(gòu)的同時(shí)，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(guó)科學(xué)院動(dòng)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(guò)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(lèi)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(lèi)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。