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疑惑巾帼鳥

發表日期:2018-09-25來源:放大 縮小

  近期,中國科學院古脊椎动物与古人类研究所王敏、周忠和、托马斯在《美國科學院院刊》(PNAS)發表了最新研究成果,報道了在中國發現的一早白垩世原始鳥類:迷惑巾帼鳥(Jinguofortis perplexus)。巾帼鳥的發現爲討論鳥類的早期演化、生態分異提供了大量關鍵信息,表明發育的可塑性在鳥類演化早期扮演著非常重要的角色。 

  巾帼鳥發現于河北省早白垩世的大北溝組,2017年周忠和带领的研究团队在该地点进行野外考察,并在上覆火山灰中取样。中國科學院地质与地球物理研究所孟庆任研究员通过SIMS锆石U-Pb測年方法,確定巾帼鳥生活在距今約1.27亿年前。研究团队对巾帼鸟进行了比较形态学、骨组织学、飞行能力以及系统发育的研究,认为巾帼鸟属于目前已知仅次于孔子鸟目的最原始的尾综骨类鸟类。尾综骨类是指末端的数枚尾椎愈合成一块复合骨(称之为尾综骨)的鸟类,涵盖了除始祖鸟、热河鸟类之外的所有鸟类。反鸟类和今鸟型类(后者演化出所有现代鸟类)是在中生代演化最为成功的鸟类,这两个类群的早期分子已经出现大量进步的形态和生理特征,属种众多。而较反鸟类和今鸟型类更原始的尾综骨类属种非常稀少,仅有孔子鸟类和会鸟类。从而形成了一个长尾的最原始鸟类(始祖鸟、热河鸟类)和更进步的反鸟类和今鸟型类之间的“演化空白”,极大限制了我们对尾综骨类演化初期的认识。巾帼鸟恰好补充了这一空白,它呈现出高度镶嵌演化的特征组合:齿列、部分头骨簣D绱形态与非鸟类兽脚类恐龍相似,但同时具有退化的手指、加长的前肢、愈合的尾综骨等典型的鸟类特征,这也正是其种名的来源。其属名取自“巾帼”的汉语拼音,献给所有工作在一线的女性科研人员。 

  巾帼鳥與2016年研究報道的重明鳥(Chongmingia)形態相似。重明鳥保存不完整,尤其缺失尾椎和頭骨,因此在其最初的研究中系統位置難以確定。而巾帼鳥的發現則爲解決重明鳥的分類位置提供了線索:對大量中生代鳥類系統發育的研究表明,巾帼鳥和重明鳥構成姐妹群,屬于已知的除孔子鳥目外最原始的尾綜骨類,研究團隊將這一支系命名爲巾帼鳥科(Jinguofortisidae)。巾帼鸟科最明显的特征是具有愈合的乌喙骨簣D珉喂牵ǔ浦为肩胛乌喙骨),这一现象在中生代鸟类仅见于孔子鸟目,在现生鸟类中主要见于古颚类(鸵鸟、鸸鹋等),而在具有飞行能力的多数鸟类中这两块骨骼是相互独立的。愈合的肩胛乌喙骨是一个非常原始的特征,它在四足动物的演化历史中甚至早于指(趾)节的出现;二者的分离最早开始于原始的羊膜类动物,并随后广泛分布(如有鳞类、鳄类等),但同时一些类群又独立演化出了愈合的肩胛乌喙骨,包括多数非鸟类恐龍和翼龙等。肩胛骨和乌喙骨在发育上往往显现出相互愈合的趋势,这主要源自它们在发育初期来源于未分异的同质凝结。在软骨发生的过程中,当成骨作用或者先骨细胞分异被推迟时,才会造成这两块骨骼的分离。 

  通過追溯這兩塊骨骼在四足動物主要類群中的發育情況,研究團隊提出愈合的肩胛烏喙骨是在孔子鳥目和巾帼鳥科中獨立發生的,而愈合的發生有可能源自這兩個類群個體發育中相對較快的成骨作用,對原始鳥類骨組織結構的分析也支持這一假說。巾帼鳥和孔子鳥類生長速度快于始祖鳥和熱河鳥類,較快的生長速度能夠縮短達到成年需要的時間,減小被捕食的機率,但同時加快的成骨作用使得肩胛骨和烏喙骨在骨化過程中“未來得及”相互分離,從而形成愈合的肩胛烏喙骨(可以看作骨化作用加快的“副作用”)。而較巾帼鳥進步的會鳥類、原始的今鳥型類和反鳥類,其生長速度慢。今鳥型類和反鳥類早期代表的個體明顯小于巾帼鳥,所以減慢的生長速度並不會顯著延長其達到成年所需要的時間;而這兩個類群已經具有和現代鳥類相似的骨骼—肌肉系統,在胚胎發育階段,不同的肌肉會對尚處于軟骨階段的肩胛骨和烏喙骨發生不同方向的作用,有利于這兩塊骨骼在骨化過程中相互分離。研究團隊提出巾帼鳥和孔子鳥具有的肩胛烏喙骨有可能是來自異時性發育中的過型形成作用(因爲快速的生長,後裔在早期發育階段就出現祖先的特征,並在此基礎上進一步生長形成新的特征),體現了發育的可塑性。發育可塑性是指當環境改變,生物個體能夠改變發育過程的能力,這一過程往往誘導出現一些新的特征。上述的發現進一步表明在討論鳥類或者其它生物的早期演化(特別是鑲嵌演化)時,發育可塑性是一個非常關鍵的因素。 

  本研究得到了國家自然科學基金優秀青年基金、基礎科學中心項目,以及中國科學院青年创新促进会的支持。 

原文鏈接:http://www.pnas.org/content/early/2018/09/18/1812176115

1. 疑惑巾帼鳥正型标本、头骨LSF成像、骨组织结构、原始鸟类的翼载—展弦比分布圖(王敏供圖) 

2. 脊椎动物主要类群的肩胛骨—乌喙骨演化简圖;中生代鸟类系统树揭示肩带和手部骨骼的重要演化阶段(王敏供圖) 

3. 疑惑巾帼鳥复原圖(张宗达绘制) 

附件: