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鳥兒會飛前,它們的祖先盡力了

鳥兒會飛前,它們的祖先盡力了

2020-08-14 Comments 0 Comment

紐約自然博物館,一處存放標本的倉庫裡,中科院古脊椎動物與古人類研究所(以下簡稱古脊椎所)副研究員裴睿正在觀察一份獸腳類恐龍化石。他觀察得很細緻,用上了各式各樣的測量工具,甚至會記錄某種恐龍每隻腳腳趾的擺放順序。這些詳盡的記錄,有助於人們理解鳥類的近親祖先怎樣進化出飛行能力。8月初,相關成果在《當代生物學》發表,裴睿為文章共同第一作者。

小型獸腳類恐龍有多起近似飛行的獨立演化事件。 圖片來源:香港大學

小型獸腳類恐龍有多起近似飛行的獨立演化事件。圖片來源:香港大學

“先前的研究認為,只有少數鳥類的近親祖先有近似飛行的動作,但事實上,這一範圍比我們預想得更大。”論文通訊作者、香港大學研究助理教授邁克爾·皮特曼告訴《中國科學報》,真正演化出飛行能力前,已經有許多鳥類的祖先在嘗試拍打翅膀。

重建演化樹

加入古脊椎所前,裴睿曾在香港大學從事博士後研究。彼時他已經收集了一定數量的獸腳類恐龍標本數據。

這些獸腳類恐龍大多體形中偏小,其中,馳龍科和傷齒龍科作為恐爪龍類,被認為是與鳥類親緣關係最近的近親,為更多人熟知的小盜龍即屬於馳龍科。

在重建小盜龍類演化樹時,裴睿注意到,隨著演化繼續,其體形有逐漸變小的趨勢。

“於是我們在分析中又加了一些和形態功能相關的數據,包括前後肢比例、體重等,這些數據似乎暗示著另一個趨勢:小盜龍類的飛行能力是逐步增強的。”裴睿意識到,這可能是一個獨立的飛行起源事件。

為了釐清古生物發展脈絡,研究者常常需要藉助譜系演化樹。但在獸腳類恐龍演化為真正鳥類的過程中,發生了許多平行演化事件。由於化石標定、特徵選取時存在差異,一些演化樹還存在模棱兩可的地方。

比如,近鳥類是獸腳類恐龍的演化支之一,其又分為恐爪龍、馳龍和傷齒龍三大分支,在不同演化樹中,這三個分支有不同的先後順序。

為了盡可能避免不確定性,裴睿等人重建的演化樹中,盡可能包含了所有小型獸腳類恐龍的數據。

他們與阿根廷國家科學技術研究委員會(CONICET)的研究者合作,優化了演化譜系分析的工作流程,為不同的演化特徵賦予不同權重,以避免平行演化中出現模棱兩可的分析結果。

最終,研究小組確定了近鳥類是否有飛行潛力的兩項關鍵指標:翼負荷與起飛動力,前者決定了動物個體是否能持續飛行,後者即拍打翅膀時產生的力量,決定能否使動物離地。

三個突破

對古生物研究者而言,探尋動物演化的一大障礙是無法親眼見到過往真實場景。“我們無法看到動物怎樣做一個動作、能達到怎樣的效果。”裴睿表示。

一個迂迴的辦法是將古生物標本數據與現生動物做對比。研究小組同樣採集了現生鳥類的翼展長度、體重等數據,包括會飛的鳥類和不會飛的鳥類,並依據會飛鳥類的數據反推出翼負荷與起飛動力,將之帶入演化樹中比對。

文章中,以現生的鳥類為參考標準,如果化石物種的翼負荷超過2.5克每平方厘米、起飛動力超過9.8牛頓每千克,才能算通過研究者設置的飛行門檻,即擁有主動飛行的潛力。

結果顯示,除了廣義的鳥類——鳥翼類,還有兩類物種通過了門檻,即馳龍科下屬的小盜龍和脅空鳥龍。

在其他物種中,研究者也觀察到了主動飛行潛能的跡象,如長羽盜龍、曉廷龍等。

“它們至少已經突破了一項指標,可能已有類似主動飛行的動作,它們在以自己的方式適應生存環境。”裴睿說,大部人認為,恐龍的飛行能力是有限的,但動物的潛力超出人類想像。

如果觀察一隻鸚鵡的運動行為,會發現在攀爬樹枝時,其前後腳趾的擺放順序會發生變化。“有時是一個腳趾在前、三個腳趾在後,有時是兩前兩後,有時三前一後,會根據場景的不同靈活運用身體的結構。”裴睿表示。但在古生物研究中,一般只會根據某種動物的化石形態,推測其腳趾最可能的單一運動方式。

此外,在現生鳥類中,研究者還觀察到一個動作:鳥類一邊拍打翅膀、一邊沿著斜坡向上奔跑,這種接近飛行的舉動也很可能存在於小型獸腳類恐龍中。

“接下來,我們會深入研究這些非鳥類拍打翅膀的有趣現象,並找到更多恐龍未能真正飛起來的原因。”皮特曼總結道。

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