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古生物学家找到更多恐龙飞行的独立演化证据

  

   

   

  小型兽脚类恐龙有多起近似飞行的独立演化事件。图片来源:香港大学

  纽约自然博物馆,一处存放标本的仓库里,中科院古脊椎动物与古人类研究所(以下简称古脊椎所)副研究员裴睿正在观察一份兽脚类恐龙化石。

  他观察得很细致,用上了各式各样的测量工具,甚至会记录某种恐龙每只脚脚趾的摆放顺序。这些详尽的记录,有助于人们理解鸟类的近亲祖先怎样进化出飞行能力。

  8月初,相关成果在《当代生物学》发表,裴睿为文章共同第一作者。

  “先前的研究认为,只有少数鸟类的近亲祖先有近似飞行的动作,但事实上,这一范围比我们预想得更大。”论文通讯作者、香港大学研究助理教授迈克尔·皮特曼告诉《中国科学报》,真正演化出飞行能力前,已经有许多鸟类的祖先在尝试拍打翅膀。

   重建演化树 

  加入古脊椎所前,裴睿曾在香港大学从事博士后研究。彼时他已经收集了一定数量的兽脚类恐龙标本数据。

  这些兽脚类恐龙大多体形中偏小,其中,驰龙科和伤齿龙科作为恐爪龙类,被认为是与鸟类亲缘关系最近的近亲,为更多人熟知的小盗龙即属于驰龙科。

  在重建小盗龙类演化树时,裴睿注意到,随着演化继续,其体形有逐渐变小的趋势。

  “于是我们在分析中又加了一些和形态功能相关的数据,包括前后肢比例、体重等,这些数据似乎暗示着另一个趋势:小盗龙类的飞行能力是逐步增强的。”裴睿意识到,这可能是一个独立的飞行起源事件。

  为了厘清古生物发展脉络,研究者常常需要借助谱系演化树。但在兽脚类恐龙演化为真正鸟类的过程中,发生了许多平行演化事件。由于化石标定、特征选取时存在差异,一些演化树还存在模棱两可的地方。

  比如,近鸟类是兽脚类恐龙的演化支之一,其又分为恐爪龙、驰龙和伤齿龙三大分支,在不同演化树中,这三个分支有不同的先后顺序。

  为了尽可能避免不确定性,裴睿等人重建的演化树中,尽可能包含了所有小型兽脚类恐龙的数据。

  他们与阿根廷国家科学技术研究委员会(CONICET)的研究者合作,优化了演化谱系分析的工作流程,为不同的演化特征赋予不同权重,以避免平行演化中出现模棱两可的分析结果。

  最终,研究小组确定了近鸟类是否有飞行潜力的两项关键指标:翼负荷与起飞动力,前者决定了动物个体是否能持续飞行,后者即拍打翅膀时产生的力量,决定能否使动物离地。

   三个突破 

  对古生物研究者而言,探寻动物演化的一大障碍是无法亲眼见到过往真实场景。“我们无法看到动物怎样做一个动作、能达到怎样的效果。”裴睿表示。

  一个迂回的办法是将古生物标本数据与现生动物做对比。研究小组同样采集了现生鸟类的翼展长度、体重等数据,包括会飞的鸟类和不会飞的鸟类,并依据会飞鸟类的数据反推出翼负荷与起飞动力,将之带入演化树中比对。

  文章中,以现生的鸟类为参考标准,如果化石物种的翼负荷超过2.5克每平方厘米、起飞动力超过9.8牛顿每千克,才能算通过研究者设置的飞行门槛,即拥有主动飞行的潜力。

  结果显示,除了广义的鸟类——鸟翼类,还有两类物种通过了门槛,即驰龙科下属的小盗龙和胁空鸟龙。

  在其他物种中,研究者也观察到了主动飞行潜能的迹象,如长羽盗龙、晓廷龙等。

  “它们至少已经突破了一项指标,可能已有类似主动飞行的动作,它们在以自己的方式适应生存环境。”裴睿说,大部人认为,恐龙的飞行能力是有限的,但动物的潜力超出人类想象。

  如果观察一只鹦鹉的运动行为,会发现在攀爬树枝时,其前后脚趾的摆放顺序会发生变化。“有时是一个脚趾在前、三个脚趾在后,有时是两前两后,有时三前一后,会根据场景的不同灵活运用身体的结构。”裴睿表示。但在古生物研究中,一般只会根据某种动物的化石形态,推测其脚趾最可能的单一运动方式。

  此外,在现生鸟类中,研究者还观察到一个动作:鸟类一边拍打翅膀、一边沿着斜坡向上奔跑,这种接近飞行的举动也很可能存在于小型兽脚类恐龙中。

  “接下来,我们会深入研究这些非鸟类拍打翅膀的有趣现象,并找到更多恐龙未能真正飞起来的原因。”皮特曼总结道。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.06.105

  (原载于《中国科学报》 2020-08-12 第1版 要闻)
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