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《华夏地理》杂志于2001年2月创刊,是国内第一本高品位、深度展现多元文化的旅游地理类杂志。《华夏地理》杂志于2001年2月创刊,是国内第一本高品位、深度展现多元文化的旅游地理类杂志。作为国内唯一美国《国家地理》杂志授权的高档地理期刊,与全球国际版本使用统一版式,同步刊出。 2007年7月,《华夏地理》与美国《国家地理》正式版权合作,延续美国《国家地理》128年来探索世界、关爱地球的理念,以震撼的摄影图片和独到的深入报道,为中国的社会中间阶层每月带来反映世界变迁的精彩内容。

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羽毛进化史  

2011-03-01 16:06:15|  分类: 杂志内容 |  标签: |举报 |字号 订阅

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撰文:卡尔·齐默 CARL ZIMMER
摄影:罗伯特·克拉特 ROBERT CLARK
插画:邢立达
翻译:王晓波

羽毛进化史 - 华夏地理 - 华夏地理的博客

 鸟类是从恐龙进化而来,但羽毛的起源也许可以追溯至更久远的过去,即恐龙与翼龙(左侧化石)的共同祖先。翼龙是会飞的爬行动物,体表覆盖着稀疏的毛丝,看上去可能与这只雉鸡幼鸟身上的绒毛近似。

羽毛进化史 - 华夏地理 - 华夏地理的博客

东南亚的雄性大眼斑雉平时看上去挺不起眼,但一到了在雌性面前舞蹈的时候,就会展开两翼阔大的羽毛,显露内侧的壮观风采。本图是将10厘米长的一段羽片放大而成,其中可见数百个宝石般的眼形花斑,雄雉就凭这一手赚到了爱侣的欢心。 羽毛进化史 - 华夏地理 - 华夏地理的博客

在美国蒙大拿大学的飞行实验室里,一只石鸡正奋力拍打着翅膀冲上斜坡。研究表明,即便在幼鸟获得飞行能力之前,它们的振翅也能产生汽车扰流器一般的效果,把身体向下推,以增加抓地的力量。这使得幼鸟在天敌迫近时能逃上陡坡,也为飞翔最初的进化环境提供了线索。

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  我们中的绝大多数人只怕永远没机会亲眼一见那些最伟大的生命奇观。比如,我们无缘观赏巨型鱿鱼像篮球一样大的眼睛;独角鲸犹如长枪般的大牙呢?至多也就能在照片里仰慕一下吧。但有一样自然奇观,是我们只要举步出门,就几乎人人有份得见的,那就是利用羽毛来飞翔的恐龙。

  鸟类太常见了——就算在最没生机的写字楼区也一样——以至于我们很容易把它们恐龙血裔的身份和用来飞行的精巧羽毛视为理所当然。为了抵住扑面而来的风力,飞羽有着不对称的形状,前缘窄而坚挺,后缘长而柔韧。要创造出升力,鸟儿只需倾斜翅膀,调节翼面上下的空气流速即可。

  飞机的机翼用到了一些同样的空气动力学窍门,但世上任何用钢板和铆钉拼装起来的东西与鸟类的羽翼相比,都完全望尘莫及。羽毛的构造是:从一根中央羽干伸出一系列纤细的羽枝,每一根羽枝又伸出若干更细的羽小枝(就像大树枝分叉),而后者上面排布着微小的钩子。相邻的羽小枝相互钩连,就形成一种名副其实轻如鸿毛、却具有相当强度的网状结构。当鸟儿梳理羽毛的时候,羽枝之间会毫不费力地分离开来,又复位咬合。

  这种美妙机制的起源是生物进化中最经久难解的谜题之一。1861年,达尔文发表《物种起源》后不过两年,德国的采石场工人挖出了一种有乌鸦般大的精美鸟类化石。它被冠以“始祖鸟”之名,生存年代约在1.5亿年前。它拥有现代鸟类的羽毛和其他特征,但也保留着爬行动物祖先的痕迹,比如口中的牙齿,翼端的爪趾,还有一条长长的尾骨。始祖鸟就像有脚的古鲸化石一样,似乎捕捉到进化变形过程中的关键一刻。“这对我来说是件喜事。”达尔文跟一个朋友坦承道。

  假如当时古生物学家们发现的是一种更古老、长有更原始的羽毛的生物,那就是大喜事了——可惜他们在其后150年里基本徒劳无功。与此同时,其他科学家试图通过研究与鸟类亲缘最近的现代爬行动物的鳞甲,来揭示羽毛的起源。鳞片和羽毛都是扁平的,也许是鸟类祖先的鳞片在世代传承中逐渐伸展,后来其边缘磨损劈裂,变成了最早期的羽毛。

  如果认为这种转变是为了适应飞行,也能说得通。假设鸟类的祖先是体型纤小、身披鳞甲的四足爬行动物,生活在森林的树冠中,在树木间跳跃穿行。如果鳞片生得更长,就能获得更大的升力,从而滑翔得越来越远。后来,当它们能够向上、向下飞的时候,前肢也就演变成了翅膀。简而言之,羽毛的进化是伴随着飞翔的进化发生的。

  上世纪70年代,美国耶鲁大学的古生物学家约翰· 奥斯特罗姆指出了鸟类与陆生的兽脚类恐龙(大名鼎鼎的霸王龙、迅猛龙即属此类)在骨骼结构上的显著相似性后,这种“羽毛进化导致飞翔”的观念开始瓦解。奥斯特罗姆认为,鸟类显然是兽脚类恐龙的现存血裔。然而,许多已知的兽脚类恐龙都有着粗大的后腿、短小的前肢,还有强健的长尾,实在很难相信是在树木间跳跃的动物所拥有的体格。

  1996年,中国的古生物学家为奥斯特罗姆的假说拿出了惊人的证据。那是一副矮小、前肢短、来自1.25亿年前的兽脚类化石,被命名为“中华龙鸟”。它有一个非同寻常的特征:背部和尾巴上覆盖着一层稀疏的空心毛丝。真正的原始羽毛证据终于面世了,却是来自一头在地上跑的兽脚类恐龙。简而言之,羽毛的起源可能跟飞翔的出现全无关系。
  
  古生物学家们很快找到了数以百计长着羽毛的兽脚类恐龙。有了这么多化石可以用于比较研究,他们便开始拼合更为详细的羽毛进化史。最初出现的是简单的毛丝。过了些年,不同世系的兽脚类成员演化出多种多样的羽毛,有的类似今日鸟类的内层绒毛,还有的长出了对称排布的羽枝;另一些恐龙身披又长又硬的条形羽毛或者加宽的毛丝,与任何现存鸟类的羽毛都不同。

  兽脚类恐龙身上长而中空的毛丝带着一个谜团。如果它们就是早期的羽毛,那又是怎么从扁平的鳞片进化出来的呢?幸运的是,如今仍有身披丝状羽毛的兽脚类存活:幼鸟。一只发育中的小鸟身上所有的羽毛,最初都只是从皮肤长出来的一根根刚毛,后来才分叉变成更复杂的形状。在鸟类的胚胎中,这些刚毛发自于皮肤细胞组成的若干小片,名为“基板”。基板顶部的一圈快速生长的细胞逐步垒成圆筒状结构,便成为刚毛。

  爬行动物也有基板,但在它们的胚胎里,每一个基板都激活特定的基因,只让基板后缘的细胞增殖,最终形成鳞片。上世纪90年代末,耶鲁大学的理查德· 普拉姆等人提出一种理论,认为从鳞片到羽毛的转变所依赖的可能只是基板内一个简单的基因指令开关。指挥基板细胞纵向而非横向生长,便可生成羽毛。换句话说,羽毛是以与鳞片相同的基因构建成的全新产物。一旦最早的毛丝进化出来,也许只需再加以些微改动就能产生越来越精致的羽毛。

  直到近年,科学家们还普遍认为羽毛首先出现于兽脚类世系的某个早期成员身上,后来这种恐龙演变成了鸟类。然而在2009年,中国科学家宣布发现了一种背上长有刚毛的古生物——“天宇龙”,它在恐龙家族中属鸟臀目,与兽脚类的亲缘关系极远。于是出现了一种令人惊异的可能性:也许恐龙的祖先早已有了状如毛发的原始羽毛,只是有些恐龙物种在后来的演化中把它丢掉了。如果能确证有些翼龙化石——翼龙并非恐龙家族的成员——身上的“绒毛”也是原始羽毛的话,就能把羽毛的起源回溯到更远,因为这些会飞的爬行动物与恐龙共有一位更加古老的先祖。

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