近鳥非鳥：中美科學家研究發現，近鳥龍其實不會飛

來自中美兩國的科學家通過高解析度電子顯微鏡檢測並結合多種化學和免疫學方法，從分子水平上解析了近鳥龍的羽與現代鳥類的羽的結構差異。相關研究論文經由美國科學院外籍院士周忠和推薦，於近日發表在《美國科學院院報》（PNAS）上。

撰文 劉悅晨

編輯 戚譯引

什麼是「近鳥」？

近鳥龍（Anchiornis），又名近鳥，是目前已知最早的一種小型四翼有羽毛恐龍，曾被認為具備 飛行能力。其化石最早發現於我國的遼寧省，生活的年代可追溯至距今約 1.6 億年前，這距離第一隻被公認的鳥類——始祖鳥（Archaeopteryx）——的出現時間有著近 1000 萬年的歷史。 截至目前，被正式深入研究過的近鳥龍標本僅有三份。

深入研究近鳥龍是否具有飛行能力，對於更好地了解物種演化過程中從「恐龍」到「鳥類」 的跨越有著重要的意義，尤其是飛行這一特徵從恐龍到鳥類的演變。

近鳥龍的化石及想像復原圖。圖片來源：Wikipedia.org

相比於其他脊椎動物，鳥類的身體構造獨特：紡錘形的身體可以減少飛行時的空氣阻力；薄而鬆弛的皮膚方便飛行時肌肉的劇烈運動；布滿腔隙且充滿氣體的骨骼輕而堅固可以減少飛行時的負重。而且，它們體表附著的表皮衍生物——羽毛，對於鳥類的飛行更是至關重要。

β-角蛋白

是支持鳥類飛行的重要因素

「現代鳥類的羽毛主要由β-角蛋白（β-keratin）組成。β-角蛋白是構成爬行動物和鳥類的皮膚、爪、喙和毛髮等組織的重要材料，但是鳥類羽毛中所含有的 β-角蛋白則與其他組織中的 有所不同，它經由一種特殊的方式修飾，變得更加靈活，」瑪麗·史威澤（Mary Schweitzer）這樣說道。瑪麗·史威澤教授是北卡羅萊納州自然科學博物館與北卡羅萊納州立大學聯合聘任的生物科學系教授，同時也是這篇論文的通訊作者之一。

「在羽毛的演化過程中，編碼 β-角蛋白的其中一個基因曾經歷過一次鹼基缺失突變，這次突變讓該基因編碼的蛋白質分子變得更小，也使得羽毛在演變的過程中發生了重要的生物物理學性質的變化——攜帶有突變 β-角蛋白的羽毛組織變得更加靈活，這是實現飛行所必須的特性。如果可以確定這次突變發生的時間，以及這一突變是在什麼物種當中發生的，我們將能夠更好地了解在從恐龍到鳥類進行過渡的過程中不同物種飛行能力的演變。」

近鳥龍的羽中

不止含有 β-角蛋白

來自中國科學院南京地質古生物研究所（NIGPAS）的泮燕紅博士及其同事利用高解析度電子 顯微鏡檢查了近鳥龍的羽，並結合了多種化學和免疫學的技術進一步確定了其分子構成。與此同時，泮博士及其同事還檢查了多份中生代和新生代時期的羽毛樣本以及不含有突變 β-角蛋白的羽毛樣本，如馳龍（Dromaeosauridae）、始孔子鳥（Eoconfuciusornis）、燕鳥（Yanornis）， 鳥面龍（Shuvuuia）和葬火龍（Citipati）等，與現代鳥類的羽毛樣本進行比較。結果發現，近鳥龍的羽中除含有 β-角蛋白外，還含有α-角蛋白（α-keratin），這是一種包括哺乳動物在內幾乎所有陸生脊椎動物都含有的蛋白質。這與現代鳥類的羽中僅含有極少量的 α-角蛋白有著驚 人的不同。除了發現近鳥龍的羽中共同表達了 α 和 β 兩種角蛋白以外，研究人員們還發現在近 鳥龍的羽中已經觀察到了 β 角蛋白的變異，這說明此時已經開始發生從恐龍到鳥類的演變。

近鳥龍與其他物種的羽毛結構比較。圖片來源：Pan et al., 2018

羽毛的功能性變化

大約發生在 1.45 億年前

「分子鐘理論（Molecular Clock Theory）一直是科學家們推斷演化和遺傳分歧時間的基準。經由分子鐘預測，發生在 β-角蛋白上的缺失突變及飛羽的功能性變化，大約發生在距今 1.45 億年前，」史威澤說，「近鳥龍已有上億年的歷史，但它的羽中卻擁有著更短的 β-角蛋白。這說明我們可以將分子水平的化石證據和分子鐘理論相結合，以提高對於時間估計的準確性——例如我們可以通過檢測這兩種角蛋白的存在狀態，從而進一步確定所檢測的樣本在恐龍到鳥類這一過渡時期中所處的具體位置。這項研究所得到的數據也為我們提供了更多的有關羽毛如何演化以最終獲得飛行能力的信息。」

這項研究工作獲得了美國國家科學基金會和 Packard 基金會的部分經費支持。

論文信息

【標題】The molecular evolution of feathers with direct evidence from fossils

【作者】Yanhong Pana, Wenxia Zheng, Roger H. Sawyer, Michael W. Pennington, Xiaoting Zheng, Xiaoli Wang, Min Wang, Liang Hua, Jingmai O』Connor, Tao Zhao, Zhiheng Li, Elena R. Schroeter, Feixiang Wu, Xing Xu, Zhonghe Zhou, and Mary H. Schweitzer

【期刊】PNAS

【DOI】10.1073/pnas.1815703116

【時間】February 19, 2019

【摘要】Dinosaur fossils possessing integumentary appendages of various morphologies, interpreted as feathers, have greatly enhanced our understanding of the evolutionary link between birds and dinosaurs, as well as the origins of feathers and avian flight. In extant birds, the unique expression and amino acid composition of proteins in mature feathers have been shown to determine their biomechanical properties, such as hardness, resilience, and plasticity. Here, we provide molecular and ultrastructural evidence that the pennaceous feathers of the Jurassic non-avian dinosaur Anchiornis were composed of both feather β-keratins and α-keratins. This is significant, because mature feathersin extant birds are dominated by β-keratins, particularly in the barbs and barbules forming the vane. We confirm here that feathers were modified at both molecular and morphological levels to obtain the biomechanical properties for flight during the dinosaur–bird transition, and we show that the patterns and timing of adaptive change at the molecular level can be directly addressed in exceptionally preserved fossils in deep time.

【鏈接】https://www.pnas.org/content/116/8/3018

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