侏儸紀「蝙蝠俠」?這隻恐龍飛上藍天,靠的不是羽毛

2021年10月25日12:52

  今年9月,第三屆“科學探索獎”獲獎名單正式揭曉,科學探索獎的頒獎典禮也即將於10月30日在北京舉行。中國科學院古脊椎動物與古人類研究所的王敏研究員成為了本年度50位獲獎人中的一員。一直以來,王敏致力於研究鳥類的起源和早期演化,先後命名了超過30個屬種的原始鳥類,約占全世界目前已知中生代鳥類屬種的1/3。在他的眾多研究成果中,有一類恐龍顯得格外“奇葩”,還登上了2019年《自然》雜誌的封面。

  撰文 | 二七

  審校 | 王敏

  對於許多古生物愛好者來說, “鳥類是恐龍的後代”可能已經不是什麼新知識了。尤其是當我們縱觀整個中生代,長出羽毛、飛向藍天似乎是恐龍的 “主線任務”之一。然而實際上,恐龍從稱霸陸地到飛向天空的過程要錯綜複雜得多,比如曾經就有一類恐龍,做出過與鳥類不同的飛天嚐試,它們就是“擅攀鳥龍類”恐龍。

  突然出現的“奇怪”恐龍

  在大約1.6億年前的侏儸紀中晚期,生活著一群奇怪的恐龍,它們體型不大,但四肢修長,尤其擁有格外長的手指,似乎具有很強的攀爬能力,因此得名“擅攀鳥龍類”。這類“奇形怪狀”的恐龍一出現就吸引了古生物學家的注意,然而由於發現的化石數量有限,保存狀況還很差,研究者很難確定它們與其他恐龍類群的親緣關係。

  2015年,《自然》發表了一種新的擅攀鳥龍類恐龍——奇翼龍(Yi qi),這個名字來源於它“奇”特的身體構造,和化石中保存的“翼”膜結構。但它並不屬於翼龍,而是一種恐龍——從分類學上來說,翼龍屬於翼龍目,它並不是恐龍(蜥臀目和鳥臀目)的一種,而更像是恐龍的“姐妹”。在我們的普遍認知里,翼龍與恐龍的最大區別就是是否擁有膜質翅膀,不過奇翼龍卻打破了這一界限。奇翼龍的前肢末端長有三根手指,其中第三指極度伸長。從它的腕部還伸出了一根棒狀長骨,當手指和棒狀骨張開的時候,就能撐起翼膜形成翅膀。

  奇翼龍的出現並沒能解答關於擅攀鳥龍類演化位置的疑問,反而使得整個故事更加撲朔迷離。因為在其它恐龍中,從來沒有發現過這樣的膜質翅膀,也沒有找到與這根棒狀長骨有關係的骨骼。雖然脊椎動物的骨骼變化多種多樣,但也很少見到某個類群“突然”長出了這麼長的一根骨頭。加上奇翼龍化石的保存狀況並不完好,因此在奇翼龍發現後,很多學者對奇翼龍是否真的長有膜質翅膀和棒狀長骨持懷疑態度。

  滑翔的“蝙蝠俠”

  結束了這一爭議的,是4年後發表的長臂混元龍化石。這條龍發現於燕遼生物群晚侏儸世的地層,體長約32釐米,只有鴿子那麼大。它最明顯的特徵就是同樣具有膜質翅膀和棒狀長骨,直接驗證了奇翼龍中的發現。除此之外,長臂混元龍還具有類似原始鳥類的尾綜骨,這讓它的身體重心前移,能在飛行時保持穩定。雖然由於胸骨還不夠發達,難以為搧動翅膀提供足夠的肌肉力量,但研究者推測,這種恐龍已經可以熟練地在空中滑翔了。這篇文章於2019年以封面文章的形式發表於《自然》,第一作者就是中國科學院古脊椎動物與古人類研究所的王敏研究員。

  “這個標本還是當地一個老鄉意外發現的,當時暴露出來的只有部分的後肢和頭骨。”王敏描述道,“當時老鄉聯繫我們的時候,只以為會是一隻帶羽毛的恐龍,沒什麼特別的。後來越修越不一樣,尤其是棒狀長骨修理出來的時候,大家就覺得特別特別驚喜。”

  長臂混元龍化石(左)及線描圖(右),右圖中棕色區域為羽毛,深灰色區域為膜質翅,藍色區域為可能的胃容物,se為棒狀長骨(圖片來源:Wang, M。, O’Connor, J.K。, Xu, X。 et al。, 2015)

  隨著長臂混元龍的發現,擅攀鳥龍類在恐龍家譜上的位置也越來越清晰。“這具長臂混元龍的骨骼化石保存得非常完整,前肢、後肢都保存了下來,所以我們就對這些和鳥類關係比較近的副鳥類恐龍進行了一個系統發育分析。”王敏說。起初,由於擅攀鳥龍類具有明顯利於飛行的特徵,部分學者懷疑它們可能是鳥類的直接祖先,或者和鳥類有非常近的親緣關係。然而研究結果顯示,擅攀鳥龍類更像是恐龍在飛天過程中“走岔了”的一支。

  “如果從一個大的時間框架來看,恐龍向鳥類的演化過程中伴隨著飛行能力的演化:整個演化的主線,都是前肢加長、尾椎骨縮短成尾綜骨、身體重心前移——可以說一切都是為了飛行。”王敏指出,對於擅攀鳥龍類來說,也展現出了類似的趨勢——它們的前肢特別地長:“在和鳥類關係相近的這些恐龍中,它們的前肢幾乎都是最長的……這是一個很明顯的趨勢,是一種適應飛行的需要。”

  然而擅攀鳥龍類與鳥類的身體結構有著關鍵的區別。雖然前肢都有伸長的趨勢,但擅攀鳥龍類通過肱骨、尺撓骨和指骨來伸長前肢,對應的是我們的手臂和手指;而與鳥類親緣關係更近的類群,前肢的伸長源自掌骨的加長,因為它們的“手掌”需要附著大量飛羽。擅攀鳥龍類的“膜質翅膀和短掌骨”和鳥類的“羽毛翅膀和長掌骨”,體現出了明顯不同的飛行模式和演化路徑。

  遺憾的是,這支“特立獨行”的恐龍並沒能倖存下來。目前,僅在中、晚侏儸世的地層中發現了擅攀鳥龍類的化石,研究者懷疑它們可能在白堊紀之前就滅絕了。對於它們存在時間為何如此短暫,王敏和研究團隊也有過一些猜想:“與它(擅攀鳥龍類)同時代的另一類具有膜質翅膀的動物就是翼龍,那會翼龍的飛行能力已經很強了,分佈也很廣泛。而且那時也發現了一些具有滑翔能力的哺乳動物,還有一些和鳥類關係非常近的副鳥類恐龍,它們前肢也長出了翅膀。所以擅攀鳥龍類面臨的競爭是比較多樣的。畢竟它們個體那麼小,要面對以上三者的競爭,很可能競爭優勢沒有那麼強。”

  什麼是鳥類?

  雖然擅攀鳥龍類的“上天計劃”失敗了,但我們都知道,另一支恐龍演化成了鳥類翱翔於天空,成了多樣性最為豐富的脊椎動物之一。王敏的工作,就是專注於近1.5億年的漫長歷史中,這些鳥類從恐龍演化而來的過程。雖然核心工作是中生代鳥類演化,但王敏格外希望能做一些理論方法上的新嚐試,更好地利用化石透露給我們的信息,來分析鳥類的演化模式。

  想要理清鳥類錯綜複雜的演化路徑並不容易,尤其對於古生物學家來說,歷史的真相都被埋進了地層中,他們的工作更像是“管中窺豹”——從僅存的化石中挖掘出演化的蛛絲馬跡。這不僅需要細緻嚴謹的室內外工作,更需要做出假設和判斷的膽識,和探索未知世界的勇氣——這樣的精神正是“科學探索獎”所關注的。王敏希望能更多地挖掘和利用化石提供的信息,“其實化石給我們的信息是非常豐富的,但他會顯得多而繁,容易讓我們淹沒在這些信息當中。所以我希望把這些數據提煉出來,看看能不能有一些更清晰直觀的方式,幫助我們理解鳥類演化的動態路徑。”

  對王敏來說,研究的終極目標是回答一個看似簡單的問題——什麼是鳥類:“這個問題是我自己在想,別人也會經常問,‘你做工作這麼久,這麼簡單的問題都還沒有答案嗎?’我就會說確實沒有。”越是簡單的問題,越難以回答。“科學探索獎”想要做的,就是支援這些“探索期”的年輕科學家,做其他人做不出、不敢做的研究。王敏希望未來能總結出一句話,非常簡潔地告訴大家鳥類的解釋和定義,“很難找到一個明顯特徵是只屬於鳥類而不屬於其他動物的。比如我們之前對鳥類的一些介紹是長有翅膀、主動飛行,但我們發現這些特徵恐龍也有了。恐龍和鳥類之間的界限變得非常模糊了,所以我一直在思考怎麼把這個東西通過比較簡潔的話告訴大家。”

  王敏研究員

  今年,探索鳥類演化之路的王敏成為了第三屆“科學探索獎”天文和地學領域的獲獎人。相比其他關注已有研究成果的獎項,“科學探索獎”更像是一個頒給未來、為可能性買單的獎項。在今年長長的獲獎者名單上,有新一代EXO中微子實驗的中國區負責人,有國內冷原子研究的帶頭者,有人研製出了超導量子計算原型機“祖衝之號”,有人開闢了“胰島再生”的嶄新可能性。他們的研究領域從地球歷史到未來能源,從細胞結構到廣袤宇宙,但共同點是,他們都是面對未知領域的挑戰者。在本月的30日,這50位青年科技工作者將齊聚北京的第三屆“科學探索獎”頒獎盛典,歡迎點擊下方鏈接預約直播,共同探索科學的未來。

  論文鏈接:

  https://www.nature.com/articles/nature14423#citeas

  https://www.nature.com/articles/s41586-019-1137-z/figures/3

  本文轉自環球科學

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