一项开创性的研究发现了飞行鸟类的共同羽毛特征，揭示了所有鸟类都拥有9到11根主羽毛，这一特征为从恐龙祖先进化到飞行提供了见解。通过结合对博物馆标本和化石数据的分析，研究人员认为，飞行在恐龙中只进化了一次，强调了羽毛和飞行在这些物种进化成功中的重要性。上图是史前孔子鸟的翅膀和羽毛化石。图片来源:约瑟夫·凯特
鸟会飞——至少大多数会飞。不会飞的鸟类，如企鹅和鸵鸟，已经适应了不需要飞行的生活。尽管如此，对于不会飞的鸟类和会飞的鸟类在翅膀和羽毛上的差异，科学上的理解仍然存在很大的差距。
在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表的一项新研究中，科学家们检查了博物馆收藏的数百只鸟，发现了一套所有飞鸟共有的羽毛特征。这些“规则”提供了线索，说明现代鸟类的恐龙祖先最初是如何进化出飞行能力的，以及哪些恐龙能够飞行。
“鸟类飞行的起源
不是所有的恐龙都进化成了鸟类，但所有现存的鸟类都是恐龙。鸟类是6600万年前小行星撞击地球时幸存下来的恐龙之一。早在小行星撞击地球之前，一种叫做Penneraptorans的恐龙的一些成员就开始进化出羽毛和飞行能力。
泰明克云雀的翅膀，突出了飞行羽毛。图片来源:约瑟夫·凯特
Penneraptoran家族的成员在会飞之前就开始长羽毛了;羽毛最初的目的可能是为了隔热或吸引配偶。例如，迅猛龙有羽毛，但它不能飞。
当然，科学家不可能坐上时光机回到白垩纪去看迅猛龙是否会飞。相反，古生物学家依靠动物骨骼化石中的线索，比如臂/翼骨和叉骨的大小和形状，以及任何保存下来的羽毛的形状，来确定哪些物种能够真正的动力飞行。例如，沿着鸟类翅膀尖端的长羽毛在会飞的鸟类中是不对称的，而在不会飞的鸟类中是对称的。
羽毛进化的新发现
为了寻找恐龙飞行的线索，芝加哥菲尔德博物馆(Field Museum)的古生物学家京迈·奥康纳(Jingmai O’connor)和菲尔德博物馆的博士后研究员约瑟夫·凯特(Yosef Kiat)展开了合作。
奥康纳是博物馆爬行动物化石的副馆长，专门研究早期鸟类，他说:“尤瑟夫是一名鸟类学家，他正在研究一些特征，比如不同类型的翅膀羽毛的数量与它们附着的臂骨长度的关系，以及鸟类飞行羽毛的不对称程度。”“通过我们的合作，约瑟夫能够在1.6 - 1.2亿年前的化石中追踪这些特征，从而研究羽毛的早期进化史。”
企鹅的原始羽毛图片来源:约瑟夫·凯特
Kiat对现存每一目鸟类的羽毛进行了研究，检查了世界各地博物馆保存的346种不同鸟类的标本。当他观察蜂鸟、鹰、企鹅和鹈鹕的翅膀和羽毛时，他注意到在会飞的物种中有一些一致的特征。例如，除了不对称的羽毛外，所有会飞的鸟类都有9到11根主羽毛。在不会飞的鸟类中，数量差异很大——企鹅有40多个，而鸸鹋一个也没有。这是一个看似简单的规则，似乎被科学家们忽视了。
对理解恐龙飞行的启示
Kiat说:“令人惊讶的是，我们在现代鸟类中发现了如此多的飞行方式，它们都有9到11根主羽毛的共同特征。”“我很惊讶，以前似乎没有人发现过这个。”
通过将有关原始羽毛数量的信息应用于整个鸟类家谱，Kiat和O'Connor还发现，鸟类需要很长时间才能进化出不同数量的原始羽毛。奥康纳说:“这种特征只有在很长一段地质时间之后才会改变。”“进化需要很长时间才能作用于这一特征并改变它。”
菲尔德博物馆收藏的布莱克本林莺用于本研究。图片来源:约瑟夫·凯特
除了现代鸟类，研究人员还研究了65个化石标本，代表了35种不同的有羽毛的恐龙和灭绝的鸟类。通过应用现代鸟类的发现，研究人员能够推断出这些化石的信息。奥康纳说:“你基本上可以通过观察原始羽毛的重叠数量和这些羽毛的形状来确定一只化石鸟是否会飞，以及它的祖先是否会飞。”
例如，研究人员研究了有羽毛的恐龙黄龙鸟。黄龙鸟有9根原始羽毛，但这些羽毛几乎是对称的，它翅膀的比例使它无法飞行。研究人员说，有可能黄龙鸟的祖先有飞行能力，但这种特征在黄龙鸟出现的时候就消失了。
由于原始羽毛的数量需要很长时间才能改变，所以不会飞的尾鸟保留了它的9根原始羽毛。与此同时，其他羽毛化石的翅膀似乎已经为飞行做好了准备——包括已知最早的鸟类始祖鸟和小盗龙的翅膀，小盗龙是一种小型的四翼恐龙，不是现代鸟类的直系祖先。
显示恐龙小盗龙翅膀和羽毛的化石。图片来源:约瑟夫·凯特
整合进化知识
更进一步，这些数据可能会为科学家之间关于恐龙飞行起源的讨论提供信息。“直到最近，科学家们才意识到鸟类并不是唯一会飞的恐龙，”奥康纳说。“关于恐龙的飞行是一次进化，还是多次进化，一直存在争议。我们的研究结果似乎表明，恐龙的飞行只进化了一次，但我们必须真正认识到，我们对恐龙飞行的理解才刚刚开始，我们可能仍然错过了羽毛翅膀进化的一些最早阶段。”
“我们的研究结合了基于灭绝物种化石的古生物学数据和今天生活的鸟类的信息，提供了关于羽毛和羽毛的有趣见解-脊椎动物中最有趣的进化新奇之一。因此，它帮助我们了解这些恐龙的进化，并强调了整合不同来源的知识对提高对进化过程理解的重要性，”Kiat说。
“兽脚亚目恐龙，包括鸟类，是我们这个星球上最成功的脊椎动物谱系之一，”奥康纳说。“它们如此成功的原因之一是它们的飞行能力。另一个原因可能是它们的羽毛，因为它们有如此多用途的结构。因此，任何能够帮助我们理解这两个重要特征是如何共同进化并导致这种巨大成功的信息都非常重要。”
参考文献:Yosef Kiat和Jingmai K. O'Connor的“飞行羽毛数量和形状的功能约束”，2024年2月12日，美国国家科学院院刊。DOI: 10.1073 / pnas.2306639121
