“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，你脑海中会(huì)浮现怎样的画面？是展翅高飞的雄鹰(xióngyīng)，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(kǒnglóng)。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、兽脚亚目的分支。并且(bìngqiě)，一些兽脚亚目恐龙也和鸟一样长有羽毛。

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

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

雷神翼龙及其原始羽毛 图片来源：维基百科(wéijībǎikē)

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

其实，羽毛最初的形态并非我们所熟知的那样，而是(érshì)有点类似于丝绒或者头发。不过它们(tāmen)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，呈中空圆柱形且(qiě)没有分叉，可能用于伪装或者装饰，也有人认为这样的功能可以维持(wéichí)体温。之后(zhīhòu)，这些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(yǔmáo)的赫氏近鸟龙标本 图片来源：作者拍摄于国家自然(zìrán)博物馆

圆柱形且中空的丝状结构(jiégòu)羽毛在天宇龙、鹦鹉嘴龙、古林达奔龙身上发现过，这些恐龙(kǒnglóng)并非蜥臀目的兽脚类恐龙，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(lóng)、蜥臀目恐龙和(hé)翼龙的最近共同祖先，只不过在后续演化道路上，有(yǒu)些成员失去了(le)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(guójiā)自然博物馆

天宇龙(lóng)复原图(tú) 图片来源dinosaurpictures.org

在兽脚类恐龙(kǒnglóng)的廓羽盗龙类分支中（包括窃蛋龙类、鸟翼类、驰(chí)龙科和伤齿龙科等），演化出了(le)对称片状羽毛，并带有“羽轴”——羽毛的“脊梁骨”。虽说这些(zhèxiē)羽毛的空气动力学性能仍然有限，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(jiùshì)典型的例子，学界认为其(qí)尾巴上明显的修长尾羽可能就是装饰，用以吸引异性。

珍珠鸡羽毛，红色圈内(quānnèi)较粗的“分割线”为羽轴(yǔzhóu) 图片来源：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(yǔ)毛(yǔmáo)演化出(yǎnhuàchū)不对称结构时，往往预示着飞行能力的(de)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(xiǎozhī)构成的，羽小枝盘根错节地排列，依靠它们的羽小钩互相“咬”在(zài)一起形成沟槽连锁机制(jīzhì)。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。

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

反鸟类属于鸟类但是并非现代(xiàndài)鸟类，它们则拥有变厚的羽轴这一新特征，但是羽小枝之间排列依旧(yījiù)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(dònglìxué)效率低(dī)。相比之下，这些活(huó)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，飞行效率显著较高。

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

顾氏小盗龙化石 图片来源：作者拍摄于(yú)国家自然博物馆

近期研究(yánjiū)中，科学家发现始祖鸟(niǎo)具有三级飞羽，而很多类似(lèisì)鸟的(de)非鸟类恐龙则没有这个结构。当羽小枝排列较为松散时，就会形成鸟类和部分(bùfèn)非鸟类恐龙拥有的绒羽。鸟类是廓羽盗龙类下面鸟翼类的分支(fēnzhī)，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(xiānwéi)（Stage Ⅰ）到分叉（II），再到羽轴和羽小枝形成(xíngchéng)（IIIa和IIIb），最后羽小枝排列(páiliè)起来（Stage IV），不对称飞羽形成（Stage V）

图片(túpiàn)来源：参考文献[15]

羽毛是如何发育形成的(de)？

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

如何(rúhé)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(zhèyī)通路，成功使鸡腿部原本光滑的鳞片转变为羽毛。

鸡胚胎 12 天的原始羽毛 图片(túpiàn)来源：参考文献[3]

鸡爪的鳞片转变为(wèi)羽毛实验 图片来源：参考文献[17]

考虑到鸡胚胎在发育的(de)(de)过程中，羽毛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(tiān)（羽毛原基尚未长成），开始用药物抑制这一基因信号通路。然而，实验并未达到预期效果——虽然药物在早期阶段(jiēduàn)显示出抑制作用，但(dàn)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。

这一结果表明，从龙到鸟类的(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(xià)保证羽毛发育。当然，在实验中那些被加入药物(jiārùyàowù)抑制基因信号(xìnhào)通路的鸡胚胎，在孵化成为小鸡之后，比起未加入药物的对照组小鸡，身上(shēnshàng)具有更多的“裸区”没有羽毛。虽说这些(zhèxiē)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(láiyuán)：参考文献[3]

胚胎分别(fēnbié)加入(jiārù)不同量抑制药物的小鸡的羽毛生长情况（从左到右(cóngzuǒdàoyòu)依次是对照组，100微克，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 图片来源：参考文献[3]

从左到右依次是并非鸟翼类的(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(jiǎnshǎo)了 图片来源：参考文献[14]

当鸟类(niǎolèi)(lèi)(lèi)演化出羽毛(yǔmáo)时，其体表的鳞片也并非全都消失了。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(shàng)，科学家们还发现了不同鸟类和恐龙羽毛(yǔmáo)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，鸟身上还有纤羽（hair feather）。这类羽毛可以(kěyǐ)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(duìchèn)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(jīròu)（直立肌和抑制肌，前者负责立起来羽毛，后者反之）的控制下，羽毛可以进行“伸缩”，当羽毛被提起来的时候，鸟类就会呈现“炸毛”状态。一些鸟类头上(tóushàng)的羽毛就能以此表示它们受到了惊吓(jīngxià)。比如凤头鹰（一种常见于中国南方的国家二级保护动物(dòngwù)）、红角鸮(xiāo)（我们俗称(súchēng)“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。

没有立起头冠的凤头鹰 图片来源：作者拍摄于国家动物(dòngwù)博物馆

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

热天下让羽毛动起来(qǐlái)的家燕 图片来源：作者拍摄于北京奥森公园

栗斑翅伞鸟和(hé)它伪装出的虫子 图片来源：sci

对于不会飞的鸟而言，其羽毛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(chìbǎng)短小，腿部强健，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。相比之下(xiāngbǐzhīxià)，南方鹤鸵、大美洲(měizhōu)鸵和小斑几维等鸟类的羽毛则呈现出更为明显的退化特征：不仅丧失(sàngshī)了飞行功能，其羽片(yǔpiàn)结构也(yě)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(měizhōu)鸵，羽毛看着更像毛 图片来源：作者拍摄于上海动物园

这(zhè)背后的(de)原因又是(shì)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)，在飞行能力退化过程中，这些鸟类的腿部和翅膀演化速率更快，而羽毛形态演化速率相对(xiāngduì)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(de)演化主要表现为不对称性逐渐降低，甚至变得像小斑几维那样只剩下绒毛(róngmáo)。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，而是出现不同程度的增减。

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

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

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

作者(zuòzhě)丨吕泽龙 中国科学院动物研究所