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鳥類怎麼進化到會飛的 1.6億年前近鳥龍化石揭示其中奧秘

1月
30
2019

2019年1月30日10時 生活小百味

生活小百味

生物學家發現了來自1.6億年前的四翼恐龍的羽毛化石,這種化石讓我們眼睛一亮,因為它提供了關於鳥類飛行進化的新視角。近鳥龍出現的時間,比目前科學家公認的第一種鳥類始祖鳥還要早一千萬年,那時它們就已就遊蕩在中國的土地上。雖然稱之為恐龍,其實它的體型和野雞差不多大。

經過化學分析,生物學家發現近鳥龍的的羽毛中含有與今天鳥類相同的β-角蛋白。雖然它們不適合強有力的飛行,但他們的分子結構意味著,近鳥龍的羽毛進化可能正處於向鳥類進化的中間階段。現代鳥類用於飛翔的羽毛,主要是由一種叫做β-角蛋白的蛋白質組成。這種蛋白質賦予了它們特殊的生物力學性能,以滿足它們飛行的需要。此外在爬行動物和鳥類的皮膚,爪子和喙中也可以發現這種蛋白質。

上圖:近鳥龍羽毛的TEM圖像,由α-角蛋白組成的厚細絲在超微結構上占大部分

本研究的合著者,北卡州立大學生物學家瑪麗·施韋策教授對此解釋說,近鳥龍的羽毛成分中主要是較厚的α-角蛋白,而並非較薄的β-角蛋白。近鳥龍的羽毛與其他含β-角蛋白的組織不同,這種羽毛蛋白產生了一種讓其更具靈活性的改變。在羽毛進化的某個節點上,β-角蛋白基因中的一種經歷了缺失事件,使得合成蛋白質略微變小。這一缺失選擇使得近鳥龍的羽毛的生物物理學變得更加靈活,更加滿足飛行的需要。

如果生物學家能夠準確地指出這種缺失發生在什麼時候,發生在具體什麼生物體內,那麼就可以更好地解釋從恐龍到鳥類的進化過程。該國際團隊的研究試圖發現侏羅紀近鳥龍的羽毛在分子水平上與相對年輕的化石鳥類以及現代鳥類的羽毛有何不同,因為這些不同有助於研究人員確定恐龍到鳥類的過渡時期內羽毛是何時進化出飛行能力的。

來自中國南京地質和古生物學研究所的古生物學訪問學者潘艷紅博士,也是該研究的負責人,她和她的同事們利用高解析度掃描技術對近鳥龍的羽毛化石進行了研究,以確定其成分。他們還對來自中生代和新生代時期的其他羽毛做了同樣的掃描 ,預期中它們會和其它β-角蛋白組織一樣不會存在之前所提到的缺失。最後他們將研究結果與雞的羽毛和組織樣本進行了比較。

近鳥龍羽毛的分子構成和超微結構證據表明,侏羅紀非鳥類恐龍近鳥龍羽毛是由β-角蛋白和α-角蛋白兩種蛋白質組成的。這個發現很重要也令人驚訝,因為現代鳥類的成熟羽毛由β-角蛋白主導,這種蛋白質的獨特表達和胺基酸組成已經被證明可以決定它們的生物力學特性,如硬度、彈性和可塑性。而α-角蛋白在所有的陸生脊椎動物包括哺乳動物中存在,但是在現代鳥類羽毛中存在的數量卻非常小。

這一切表明當時近鳥龍的羽毛在分子水平和形態學上都正在改變,從而獲得恐龍到鳥類過渡時期飛行所需的生物力學性能。科學家們將分子時鐘作為進化和基因差異的基準,根據分子時鐘預測,這種β-角蛋白的缺失以及功能性飛行羽毛的進化,大約發生在1.45億年前。我們可以通過這兩種角蛋白的缺失或存在來確定恐龍到鳥類轉變過程中的遺傳事件。

該研究發表在美國國家科學院院刊上,極大地加深了我們對恐龍與鳥類進化關係的了解,也讓我們對鳥類飛翔的起源有了更確切的時間概念。


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