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，備受古生物學(xué)家關(guān)注。

中國科學(xué)家團隊最近通過對緬甸晚白堊世(約9900萬年前)琥珀中5件珍稀羽毛化石進行深入研究，既填補了羽毛演化史的關(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“功能模塊的漸進組裝”實現(xiàn)。

本項研究的5件羽毛琥珀標本。(研究團隊 供圖)

這項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隊聯(lián)合中國科學(xué)院動物研究所等多家科研機構(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)鎖機制與級聯(lián)滑鎖系統(tǒng)雙重機制緊密結(jié)合，使飛行羽毛兼具超強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。

研究團隊對9900萬年前的5件琥珀羽毛化石，首先使用有機溶劑進行表面局部處理，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“末端功能強化”的分階段創(chuàng)新實現(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)的細節(jié)特征尚有區(qū)別。

研究團隊還在一件無羽軸的游離羽枝標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)實證。

本項研究提出的多階段羽毛演化的修訂模型。(研究團隊 供圖)

基于本次研究的系列新發(fā)現(xiàn)，研究團隊提出羽毛演化的多階段修訂模型：最原始的單根細絲狀羽毛；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、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。

研究團隊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。