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新发现揭示早期鸟类尾骨与尾羽独立演化方式广

来源:http://www.btxygg.com 作者:广东快乐10分预测 时间:2019-11-14 18:13

2017年3月22日《自然通讯》( R. Hutchinson教授领导的合作研究成果。这支由中国和英国科学家组成的团队研究了保存在中国早白垩世(大约一亿两千五百万年前)湖泊沉积物中的早期鸟类化石孔子鸟(Confuciusornis)的后肢。扫描电镜和CT成像揭示这件化石很好地保存了踝部关节附近、含显微尺度下的细胞和纤维结构的软骨、肌腱和韧带等软组织组织。根据与恐龙、早期鸟类和现生鸟类踝部结构对比,发现孔子鸟已经具有了下跗骨、胫骨软骨和跗骨间籽骨,但这些特化结构还主要以软骨为主。同时,孔子鸟具有介于早期恐龙和现生鸟类之间的踝部姿态,支持了现生鸟类屈膝姿态是从早期恐龙以及早期鸟类那里逐渐演化过来的。尽管孔子鸟腿部的形态和功能与现生鸟类不完全相同,但正在接近现生鸟类。

多齿胫羽鸟复原图

科学家们此次报告的两种恐龙——2005年发现于新疆准噶尔盆地的西域爪龙和2009年发现于内蒙古自治区西北部地区的半爪龙,正好填补了原始类群与进步类群之间九千年的演化空白。

这项研究得到了国家自然科学基金、现代古生物学和地层学国家重点实验室、Leverhulme Trust以及英国自然环境研究委员会的资助。

多齿胫羽鸟羽毛和色素体、胫跗骨羽毛复原以及早期鸟类后肢羽毛演化

“这些化石记录是对解剖学特征演化方式的最好展示。”本文合作者、美国乔治华盛顿大学教授詹姆斯·克拉克说:“就像演化生物学经常提及的其他范例,比如‘马化石序列’,这类恐龙展示了一个演化支系上的生物是如何随着时间而改变它们的生态位,从食肉转变到食虫的。”

进一步的同步辐射X射线和多光谱成像揭示了一部分有机物也被保存了下来。这项发现和越来越多的证据都说明在特殊条件下,氨基酸或者蛋白质碎片等生物分子可以在化石中保存数百万年以上。曼彻斯特大学的Roy Wogelius教授也参与了这项研究,他评论说道,这件特异保存的化石,使我们能够在这种关键的早期鸟类身上发现微弱但是重要的化学和结构信息。古生物学、鸟类学、生物力学、地球化学和医学成像等多领域科学家之间的国际合作促成了这项多层次的研究。布里斯托大学的Michael Benton教授补充说道,我们的研究说明了新兴的先进技术是如何和新发现的化石相结合,并改变我们对于动物的结构、生理和行为的演化过程的理解。

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解决争议的关键就是早期的、尚未完全特化的阿尔瓦雷斯龙类化石,但古生物学家一直没找到阿尔瓦雷斯龙类化石原始类群和进步类群之间的中间类型,不知道这样的变化是怎样发生的。

(地球科学与工程学院 科学技术处)

2月1日,中国科学院古脊椎动物与古人类研究所王敏、周忠和、邹晶梅,与南京地质古生物研究所泮燕红在《自然—通讯》(Nature Communications)上报道了一件发现于1.3亿年前的早白垩世反鸟类——多齿胫羽鸟(Cruralispennia multidonta),揭示了尾综骨与尾羽在鸟类早期演化中是相互独立的,此外还发现了一类形态特殊的羽毛。

本报北京8月26日电 记者齐芳从中国科学院古脊椎动物与古人类研究所获悉,该所研究员徐星领导的国际研究团队24日在学术期刊《当代生物学》上发表最新研究成果:他们在中国发现了两种新的恐龙:乌拉特半爪龙(Bannykuswulatensis)和彭氏西域爪龙(Xiyunykuspengi),让科学家对阿尔瓦雷斯龙类手指“消失”之谜的理解更加深入了。

非鸟类恐龙在向鸟类演化过程中后肢发生了很多改变,如行走姿势由近于直立转变为屈膝行走,出现了可以对握并且具有很强的抓握能力的脚趾等。与之对应,鸟类踝关节(功能上对应于人类膝盖)出现了下跗骨、胫骨软骨和跗骨间籽骨等特化结构。这些特化结构改变了鸟类复杂的肌腱系统对单个脚趾活动的控制和力矩,从而提高了鸟类脚趾抓握的精度和力量,这对于鸟类的飞行和捕食都具有重要的意义。由于缺乏化石的证据,这些鸟类后肢特化结构何时和如何演化而来还不清楚。

论文链接

徐星解释,四足动物在演化过程中曾多次出现手指或脚趾数目减少的情况,比如马化石系列就显示了马是怎么从多个脚趾演化到如今一个脚趾的。有趣的是,科学家们在阿尔瓦雷斯龙类上也发现了这种情况:阿尔瓦雷斯龙类恐龙是兽脚类恐龙,它们的外形极为奇异,有极短却非常强壮的前肢,每个前肢仅存一个特化的大型指爪,但头骨与后肢却和鸟类类似。这些奇怪的特征让科学家们对这类恐龙的系统发育学位置、生物地理演化史和生态位等问题极为迷惑,充满争议。

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在恐龙向鸟类的演化过程中,尾骨的变化最为显著。不同于恐龙所具有的长尾骨,现生鸟类的尾骨显著缩短,特别是最后几枚尾椎愈合成一个尾综骨。现生鸟类的尾综骨在侧视时呈犁状,其表面附有肌肉和纤维脂肪而能够控制扇状尾羽的展开和闭合,构成飞行的重要组成部分。此前,这样的犁状尾综骨仅出现在今鸟型类,而扇状尾羽也多在今鸟型类中发现;相反,在反鸟类和其它更为原始的鸟类中,如孔子鸟和会鸟,尾综骨形态结构单一而呈长杆状,特别是末端没有向背侧弯曲,相对长度明显大于今鸟型类,因此它们的尾综骨仅仅是尾骨缩短的结果,而扇状尾羽也很少在这些鸟类中发现。因此,研究者普遍认为犁状尾综骨和扇状尾羽是同步演化的。然而,多齿胫羽鸟的发现挑战了这一观点。多齿胫羽鸟的尾综骨显著缩短,相对长度与今鸟型类相近。更为重要的是,其尾综骨的末端向背侧弯曲,从而形成了和今鸟型类完全相同的犁状尾综骨。研究者利用判别分析构建中生代鸟类尾综骨的形态空间,也证实了多齿胫羽鸟的尾综骨与今鸟型类尾综骨的形态更为接近。然而,多齿胫羽鸟并不具有扇状尾羽;相反地,它的尾羽都是非羽片状的,表明今鸟型类的尾综骨通过平行演化的方式至少在一类反鸟类中出现了,而“犁状尾综骨——扇状尾羽的协同演化”假说需要重新考虑。

徐星说:“从早期阿尔瓦雷斯龙类接近原始兽脚类的较长抓握型前肢,到前肢较长并拥有特化手爪的半爪龙和西域爪龙的前肢,再到晚期阿尔瓦雷斯龙类高度特化、缩短的功能性单指前肢,这种转变以渐进的方式持续了近五千万年。”

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文章的合作者、南非金山大学的乔尼尔博士认为,这种演化或许与其食物的变化有关。“它们具有强壮的各长着大爪子的手部,但上下颌却非常纤弱,就像恐龙里面的土豚和食蚁兽。”早期的阿尔瓦雷斯龙类具有典型的肉食型牙齿和更利于抓握猎物的手部,只有晚期的阿尔瓦雷斯龙类才演化出了巨大的单爪,这些大爪子很有可能是用来挖掘破坏朽木和蚁穴,吃食内部的蚂蚁或者白蚁。

研究者在多齿胫羽鸟的胫跗骨上观察到了一类奇特的羽毛。这些羽毛长约12至16mm,整体呈线状,但是在其最末端却分散出细小的分支。研究者认为这些细小的末端分支代表了单一的羽支,这些羽支的主要部分愈合而成羽轴,仅在末端发散开来。鸟类后肢羽毛主要包括羽片状和绒羽状两种形态,而上述多齿胫羽鸟的后肢羽毛不同于所有已知的现生或化石羽毛的形态结构,代表了羽毛演化中一类绝灭的羽毛形态——近端线状而具有丝状的末梢分枝。通过对多齿胫羽鸟羽毛进行扫描电镜观察,研究者发现胫跗骨羽毛的色素体形态明显不同于身体其它部位的羽毛,而色素体的几何形态与其颜色是相关的,表明这些胫跗骨羽毛具有不同的颜色。多齿胫羽鸟的胫跗骨羽毛显然不具有空气动力学作用,而其不同于绒羽的结构说明其保温隔热的作用有限,因此研究者推测这样的羽毛可能用于吸引异性,这也与色素体所反映的不同颜色相互佐证。

这两类新恐龙的化石标本是由徐星、詹姆斯·克拉克和内蒙古龙昊地质古生物研究所教授谭琳共同领导的联合考察队发现并收集的。徐星表示,在过去的几十年间,中国产出了一批最为重要的恐龙化石标本。“我们的国际野外考察队近些年来收获颇丰,将持续产出更多成果。

中生代鸟类系统树,示意主要支系分异时间、尾综骨和胫腓骨的主要演化

科学家解开阿尔瓦雷斯龙类恐龙手指消失之谜

反鸟类是中生代鸟类演化最为成功的类群,构成今鸟型类的姐妹群,所有的现生鸟类都是从今鸟型类演化而来。新化石发现于1.3亿年前的花吉营组。虽然属于目前已知最古老的反鸟类之一,新鸟却保存了很多进步的特征,包括胸骨后缘具有两对突起、小翼指退化、腓骨与尾综骨缩短等,明显区别于同层位发现的其它鸟类;新鸟的下颌具有14枚牙齿,是目前已知下颌齿数最多的反鸟类,揭示了大量的形态分异在反鸟类演化初期就已经出现。

此外,多齿胫羽鸟还提供了其它重要的特征演化信息,如腓骨的缩短代表了这一进步特征的最早出现。根据对其骨骼显微结构的观察和发现,研究者推测多齿胫羽鸟能够在一年左右的时间达到成年,不同于其它反鸟类所具有的缓慢生长模式。通过对中生代鸟类系统发育关系的研究,多齿胫羽鸟被归入较为进步的反鸟类,这与其相对古老的层位不一致。通过对主要支系分异时间的估算,由于多齿胫羽鸟的发现,使早白垩世主要鸟类支系的起源和分异时间要比之前的认识提早很多。

该研究得到了国家自然科学基金和中科院战略性先导科技专项的资助。

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多齿胫羽鸟(Cruralispennia multidonta)正型化石和中生代鸟类尾综骨对比

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关键词: 进展 科院 鸟类 尾羽 尾骨