“从登陆火星”到“无处可去”，马斯克被曝因为他的一句话，放弃“殖民火星”

提起鸟类，你脑海中(zhōng)会浮现(fúxiàn)怎样的画面？是展翅高飞的雄鹰，还是城市公园中随处可见的麻雀？还有些了解古生物的人会立刻联想到——恐龙。没错，基于化石材料和系统分类学(fēnlèixué)，鸟类正是恐龙总目、蜥臀目、兽脚(shòujiǎo)亚目的分支。并且，一些兽脚亚目恐龙也(yě)和鸟一样长有羽毛。

不过，与现代鸟类的羽毛(yǔmáo)相比，这些恐龙的羽毛形态更加多样(duōyàng)：有些类似头发、鸡鸭的绒羽，有些则是片状对称或不对称羽毛。

这些羽毛(yǔmáo)究竟从何而来？在鸟类、非鸟类恐龙以及翼龙身上，羽毛可能扮演着多重角色——或许是飞行的(de)工具，也许(yěxǔ)是求偶时的华丽装饰，又或者(huòzhě)是作为伪装的外衣。本篇文章，让我们一同深入探索其中的奥秘。

雷神翼龙及其原始(yuánshǐ)羽毛 图片来源：维基百科

兽脚亚目恐龙羽王龙（Yutyrannus）的尾部化石，保留有羽毛证据 图片(túpiàn)来源(láiyuán)：维基百科

其实(qíshí)，羽毛最初的形态(xíngtài)并非我们所熟知的那样，而是有点类似于丝绒或者头发。不过它们的组成成分(chéngfèn)与人类头发并不一样，人类头发主要成分是阿尔法角蛋白，而它们的成分里面主要是贝塔角蛋白。

早期的羽毛是从皮肤表面延伸出来的丝状结构，呈中空圆柱形(yuánzhùxíng)且没有分叉，可能用于伪装或者装饰(zhuāngshì)，也有人认为这样的功能可以维持体温。之后，这些(zhèxiē)羽毛的结构逐渐改变——分叉且呈现丝状。再之后出现了羽轴，又形成对称的片状(piànzhuàng)羽毛。

具有片状羽毛的赫氏近鸟龙标本 图片(túpiàn)来源：作者(zuòzhě)拍摄于国家自然博物馆

圆柱形且中空的丝状结构羽毛在天宇龙、鹦鹉嘴龙、古林达(gǔlíndá)奔龙身上发现过，这些恐龙并非蜥臀目的(mùdì)兽脚类恐龙，而是属于鸟臀目恐龙。

这表明，这些原始的羽毛(yǔmáo)可能起源于鸟臀目恐龙、蜥臀目恐龙和翼龙的最近共同祖先，只不(bù)过(zhǐbùguò)在(zài)后续演化道路上，有些成员失去了羽毛，比如体型庞大的三角龙和真蜥脚类恐龙。而另一些类群(lèiqún)则进一步强化了羽毛的发育，如上文提到的雷神翼龙，就有丝状不分叉羽毛与丝状分叉羽毛两种。

原始(yuánshǐ)中华龙鸟化石模型，有原始的丝状(sīzhuàng)羽毛 图片来源：作者拍摄于国家自然博物馆

天宇龙复原图(tú) 图片(túpiàn)来源dinosaurpictures.org

在兽脚类恐龙(kǒnglóng)的廓羽盗龙类分支中（包括窃蛋龙类、鸟翼(niǎoyì)类、驰龙科和伤齿龙科等），演化出了对称片状羽毛(yǔmáo)，并带有“羽轴”——羽毛的“脊梁骨”。虽说这些羽毛的空气动力学性能(xìngnéng)仍然有限，但是可以在求偶时用来展示。廓羽盗龙类的胡氏耀龙（Epidexipteryx hui）就是典型的例子，学界认为其尾巴上明显(míngxiǎn)的修长尾羽可能就是装饰(zhuāngshì)，用以吸引异性。

珍珠鸡羽毛，红色圈内较粗(cū)的“分割线”为羽轴 图片来源(láiyuán)：维基百科

胡氏耀龙标本，有(yǒu)尾巴羽毛 图片来源：维基百科

当片状羽毛演化出不(bù)对称结构时，往往预示着飞行能力的出现。仔细观察这些片状羽毛的两侧，会发现羽毛的侧面有很多“毛”，这些类似枝条的“毛”称之为羽枝。羽枝又是由带着沟槽的羽小枝构成的，羽小枝盘根错节地排列，依靠(yīkào)它们的羽小钩互相“咬(yǎo)”在(zài)一起形成沟槽连锁(suǒ)机制。羽小枝排在一起的同时，这些“锁”不能在受到外力时散开，为此，羽小枝上还带有结节结构来增强固定(gùdìng)。为什么(wèishénme)要固定上呢？因为只有固定起来才可以让用于飞行的羽毛足够“强韧”，抗撕裂(kàngsīliè)。

抗撕裂的飞行羽毛并非所有恐龙的共同特征(tèzhēng)。在廓羽盗龙类中，伤齿龙科和驰龙科这些近鸟类(niǎolèi)非鸟恐龙虽然拥有片(piàn)状羽毛，但它们羽毛片中间的羽轴相对纤细，而且羽小枝排列(páiliè)很松散，没有强韧的连锁结构。

反鸟类属于(shǔyú)鸟类但是并非(bìngfēi)现代鸟类，它们则拥有变厚的(de)羽(yǔ)轴这一新特征，但是羽小枝之间排列依旧不够紧密，相邻的羽小枝之间存在空隙，这就导致它们飞行空气动力学效率低。相比之下，这些活到今天的恐龙后裔——现存的鸟类，其羽毛能抗撕裂，羽小枝紧密排列在一起，飞行效率显著较(jiào)高。

反鸟类的(de)代表类群之一——渤海鸟类 图片来源：作者拍摄于(yú)国家自然博物馆

顾氏小(xiǎo)盗龙化石 图片来源：作者拍摄于国家自然博物馆

近期研究(yánjiū)中，科学家(kēxuéjiā)发现始祖鸟(shǐzǔniǎo)具有三级飞羽，而很多类似鸟的非鸟类恐龙则没有(méiyǒu)这个结构(jiégòu)。当羽小枝排列较为松散时，就会形成鸟类和部分非鸟类恐龙拥有的绒羽。鸟类是廓羽盗龙类下面(xiàmiàn)鸟翼类的分支，从晚侏罗世到晚白垩世期间，其骨骼结构经历了显著变化，物种数目也有所增加。鸟翼类中的真鸟类分支包括现代鸟类，其胸骨等结构和反鸟类存在差异。

从丝状纤维（Stage Ⅰ）到(dào)分叉（II），再到羽轴和羽小枝(xiǎozhī)形成（IIIa和IIIb），最后羽小枝排列起来（Stage IV），不对称(duìchèn)飞羽形成（Stage V）

图片来源(láiyuán)：参考文献[15]

羽毛是如何发育(fāyù)形成的？

为了找出羽毛发育形成的奥秘，科学家们用驯化红原鸡(jī)（也就是家鸡(jiājī)）的胚胎进行了实验，尝试让鸡全身长出丝状的原始羽毛。

如何诱导原始羽毛的生长呢？关键在于 SHH 信号通路，该通路能影响鸟类体表羽毛和(hé)裸区鳞片的发育。2023 年就有科学家通过促进这一通路，成功使鸡腿(jītuǐ)部原本光滑(guānghuá)的鳞片转变为羽毛。

鸡胚胎 12 天的原始羽毛 图片(túpiàn)来源：参考文献[3]

鸡爪(jīzhǎo)的鳞片转变为羽毛实验 图片来源：参考文献[17]

考虑到鸡胚胎在发育的过程中，羽毛(yǔmáo)原基会发育成相应的羽毛，因此研究人员最初选择在胚胎发育第 9 天（羽毛原基尚未长成），开始(kāishǐ)用药物(yàowù)抑制这一基因信号通路(tōnglù)。然而，实验并未达到预期效果——虽然药物在早期阶段显示出抑制作用，但从鸡胚胎第 14 天起，鸡羽毛逐渐发育为结构复杂的绒羽和片状羽毛等(děng)。

这一结果表明(jiéguǒbiǎomíng)，从龙到鸟类(niǎolèi)的(de)(de)羽毛性状结构变得复杂，依赖的是复杂的基因调控网络的共同作用，调控网络也可以在环境干扰下保证羽毛发育。当然，在实验中那些被(bèi)加入药物抑制基因信号通路的鸡胚胎，在孵化成为小鸡之后(zhīhòu)，比起未加入药物的对照组小鸡，身上具有更多的“裸区”没有羽毛。虽说这些小鸡在成长的过程中，身上的“裸区”也长出了结构复杂的羽毛。

14 天的鸡羽毛 图片来源：参考文献(cānkǎowénxiàn)[3]

胚胎分别加入不同量抑制药物的小鸡(xiǎojī)的羽毛生长情况（从左到右依次是对照组，100微克(wēikè)，200微克和300微克），后面三个在孵化之初，体表有明显较多裸区(luǒqū) 图片来源：参考文献[3]

从左到右依次(yīcì)是并非鸟翼类的(de)中国龙鸟，鸟翼类原始的近鸟龙，鸟翼类的会鸟，反(fǎn)鸟类的华夏鸟和现代鸟类所属分支，可以看出鸟翼类腿上的毛减少了 图片来源：参考文献[14]

当鸟类演化出羽毛(yǔmáo)时，其体表的鳞片(línpiàn)也并非全都(quándōu)消失了。基于对鸟翼类恐龙（包括鸟类）腿部羽毛的分析发现，原始的鸟翼类恐龙在朝着(cháozhe)鸟类演化过程中，退化了腿部羽毛，重新发育出鳞片。这一演化特征在现代家鸡的足部鳞片中得到了典型体现。

在功能上，科学家们还发现了(le)不(bù)同鸟类和(hé)恐龙羽毛的(de)特别用处。除了我们熟悉的蓝孔雀、红原鸡等鸟类的性展示功能，鸟身上还有(yǒu)纤羽（hair feather）。这类羽毛可以作为感受器，主要功能是感知正羽（上文提到的片状的羽毛，有对称和不对称两种）的姿态。

纤羽 图片(túpiàn)来源：allaboutbirds

位于尾部对称的正羽(zhèngyǔ) 图片来源：allaboutbirds

在相关肌肉（直立肌和抑制肌，前者负责立起来羽毛，后者反之）的(de)控制下，羽毛可以进行“伸缩”，当羽毛被提起来的时候(shíhòu)，鸟类就会呈现“炸毛”状态。一些鸟类头上的羽毛就能以此表示(biǎoshì)它们受到了惊吓。比如凤头鹰(yīng)（一种(yīzhǒng)常见于中国南方的国家二级保护动物）、红角鸮(xiāo)（我们俗称“猫头鹰”的一种）就是典型代表，在受惊时会立即竖起头上的羽毛。

没有立(lì)起头冠的凤头鹰 图片来源：作者拍摄于国家动物博物馆

不过，鸟儿“炸毛”除了受到惊吓(jīngxià)，还有(háiyǒu)其它情况。比如有些是为了散热，竖立羽毛，让平时没有接触到外界(wàijiè)空气的皮肤(pífū)不被闷着。还有的鸟类是为了“伪装”，就像南美洲的栗斑翅伞鸟（Laniocera hypopyrra）会在幼年期晃动自己的羽毛，假装自己是有毒(yǒudú)的绒蛾科毛毛虫。

热天下让羽毛动起来的家燕(jiāyàn) 图片来源：作者拍摄于北京奥森公园

栗斑翅伞鸟和它(tā)伪装出的虫子 图片来源：sci

对于不会飞的鸟而言，其羽毛(yǔmáo)的功能发生了显著的适应性转变。以鸮鹦鹉和渡渡鸟为例，它们翅膀短小，腿部强健(qiángjiàn)，但保留了不对称的片状羽毛，且初级飞羽的数目依旧是 9-11 根(gēn)。相比之下(xiāngbǐzhīxià)，南方鹤鸵、大美洲鸵和小斑几维等鸟类的羽毛则呈现出(chéngxiànchū)更为明显(míngxiǎn)的退化特征：不仅丧失了飞行功能，其羽片结构也趋于简化（如鹤鸵的毛发状羽毛与布偶猫的被毛相似），初级飞羽数目也有所改变。

大美洲鸵，羽毛看着更像毛 图片来源：作者拍摄于(yú)上海动物园

这背后的(de)原因又是什么呢？学界对 30 类不飞行鸟类及其近缘物种的骨骼和羽毛进行对比发现(fāxiàn)，在飞行能力退化(tuìhuà)过程中，这些鸟类的腿部(tuǐbù)和翅膀演化速率(sùlǜ)更快，而羽毛形态演化速率相对慢。这是因为腿部和翅膀长短对于地面生活更为重要，而羽毛生长需要的能量相对骨骼与肌肉发育更低，因此演化相对滞后。

羽毛的演化主要表现为不对称性逐渐降低，甚至变得像小斑几维(jǐwéi)那样只剩下绒毛。同时，翅膀上(shàng)的初级飞羽数量也不再保持飞行鸟类典型的 9-11 根，而是出现不同程度(chéngdù)的增减。

此外，羽毛性状的改变还与飞行能力丧失(sàngshī)(sàngshī)(sàngshī)的时间节点有关。在漫长的演化历程中，鸟类首先从有齿、长尾的鸟翼类恐龙演化为具备飞行能力的现代(xiàndài)鸟类，随后部分类群又再度放弃或削弱了飞行本领（最早可追溯至白垩纪晚期）。其中，比起南方鹤鸵、大(dà)美洲鸵和企鹅等很早(hěnzǎo)丧失飞行能力鸟类，较晚丧失飞行能力的鸟类羽毛“爆改”程度更低。

上图为飞行鸟类(niǎolèi)不对称飞羽 下图为不飞鸟类的羽毛示例，其中有些(yǒuxiē)留有不对称飞羽，但是有些羽毛类似头发，如最左侧的鹤鸵羽毛。图片来源：参考文献(cānkǎowénxiàn)[12]

由此观之，从恐龙到(dào)现代鸟类，羽毛在演化过程中展现出惊人的可塑性。它不仅能够(nénggòu)适应飞行需求，在丧失飞行能力的类群中还表现出多样化(duōyànghuà)的形态与功能转变，充分体现了其对不同生态环境的卓越适应能力(shìyìngnénglì)。

作者丨吕泽龙 中国科学院动物研究所(zhōngguókēxuéyuàndòngwùyánjiūsuǒ)