“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，你脑海中会浮现怎样的(de)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(lìkè)联想到(dào)——恐龙(kǒnglóng)(kǒnglóng)。没错，基于化石材料和系统分类学，鸟类正是恐龙总目、蜥臀目、兽脚亚目的分支。并且，一些兽脚亚目恐龙也和鸟一样长有羽毛。

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

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

雷神翼龙及其原始羽毛 图片来源(láiyuán)：维基百科

兽脚亚目恐龙羽王龙（Yutyrannus）的尾部化石，保留(bǎoliú)有羽毛证据 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(nàyàng)，而是有点类似于丝绒或者头发。不过它们的组成成分与人类头发并不一样，人类头发主要成分是阿尔法(āěrfǎ)角蛋白，而它们的成分里面(lǐmiàn)主要是贝塔角蛋白。

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

具有片状羽毛的赫氏近鸟龙(niǎolóng)标本(biāoběn) 图片来源：作者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(lóng)、鹦鹉嘴龙、古林达奔龙身上发现过(guò)，这些恐龙并非蜥臀目的兽脚类恐龙，而是属于鸟臀目恐龙。

这表明，这些原始的羽毛可能起源于鸟臀目恐龙(kǒnglóng)、蜥臀目恐龙和(hé)翼龙的最近(zuìjìn)共同(gòngtóng)祖先，只不过在后续演化道路上，有些(yǒuxiē)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(huàshí)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(fùyuán)图 图片(túpiàn)来源dinosaurpictures.org

在(zài)兽脚类恐龙的廓羽盗龙类分支中（包括窃蛋龙类、鸟翼类、驰龙科(lóngkē)和伤齿龙科等），演化出了对称片状羽毛，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仍然有限，但是可以在求偶时用来展示(zhǎnshì)。廓羽盗龙类的胡氏耀龙（Epidexipteryx hui）就是(jiùshì)典型的例子，学界(xuéjiè)认为其尾巴上明显的修长尾羽(wěiyǔ)可能就是装饰，用以吸引异性。

珍珠鸡羽毛(yǔmáo)，红色圈内较粗的“分割线”为羽轴 图片(túpiàn)来源：维基百科

胡氏耀龙标本，有尾巴羽毛 图片来源(láiyuán)：维基百科

当片状羽毛演化出不对称结构时，往往预示着飞行能力的(de)(de)(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(gōucáo)的羽小枝(xiǎozhī)构成的，羽小枝盘根错节地排(pái)列，依靠它们的羽小钩互相“咬”在一起形成沟槽连锁机制。羽小枝排在一起的同时，这些“锁”不能在受到外力(wàilì)时散开，为此，羽小枝上还带有结节结构来(lái)增强固定。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(yǔmáo)(yǔmáo)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恐龙虽然拥有(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，没有强韧的连锁(liánsuǒ)结构。

反鸟类属于鸟类但是(dànshì)并非(bìngfēi)现代鸟类，它们则拥有变厚的羽轴这一新(yīxīn)特征，但是羽小枝之间排列(páiliè)依旧不够紧密(jǐnmì)，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：作者拍摄于国家(guójiā)自然博物馆

顾氏小盗龙化石 图片来源：作者拍摄于国家自然(zìrán)博物馆

近期研究中，科学家发现始祖鸟具有三级(sānjí)飞羽，而很多类似鸟的非鸟类(niǎolèi)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非鸟类恐龙拥有(yōngyǒu)的绒羽。鸟类是(shì)廓羽盗龙类(dàolónglèi)下面鸟翼类的分支，从晚侏罗世到晚白垩世期间，其(qí)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）到分叉（II），再到羽轴和羽小枝(xiǎozhī)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）

图片来源(láiyuán)：参考文献[15]

羽毛是(shì)如何发育形成的？

为了找出羽毛(yǔmáo)发育形成的奥秘，科学家们用驯化红原鸡(jī)（也就是家鸡）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(tōnglù)，该通路能影响鸟类体表羽毛和裸区鳞片的发育。2023 年就有科学家通过促进这一通路，成功(chénggōng)使鸡腿部原本光滑的鳞片转变为(wèi)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(de)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），开始用药物抑制这一基因信号通路(tōnglù)。然而，实验并未(bìngwèi)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(zhújiàn)发育为(wèi)结构复杂的绒羽和片状羽毛等。

这一结果表明(jiéguǒbiǎomíng)，从龙到鸟类的(de)羽毛性状结构(jiégòu)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(bǎozhèng)羽毛发育。当然，在实验中那些被加入药物(jiārùyàowù)抑制基因信号通路的鸡胚胎，在孵化成为小鸡(xiǎojī)之后，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(yǔmáo) 图片来源：参考文献[3]

胚胎分别加入不同量抑制(yìzhì)药物的小鸡的羽毛生长情况（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(yǒu)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(niǎoyì)类的(de)中国龙鸟，鸟翼类原始的近鸟龙，鸟翼类的会鸟，反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(láiyuán)：参考文献[14]

当鸟类演化出羽毛时，其体表的鳞片(línpiàn)也并非(bìngfēi)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(zài)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(tèzhēng)在现代家鸡的足部鳞片中得到了典型体现。

在功能上，科学家们还发现了不同鸟类和(hé)恐龙羽毛(yǔmáo)(yǔmáo)的特别用处。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(zhè)类羽毛可以作为感受器，主要(zhǔyào)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(duìchèn)的正羽 图片来源：allaboutbirds

在相关肌肉（直立肌和抑制肌，前者(qiánzhě)负责立起来羽毛(yǔmáo)，后者反之）的控制下，羽毛可以(kěyǐ)进行“伸缩(shēnsuō)”，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(tāmen)受到了惊吓。比如凤头鹰（一种常见于中国南方的国家二级保护动物）、红角鸮（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。

没有立起头冠的凤头鹰 图片来源：作者拍摄于国家动物博物馆(bówùguǎn)

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，竖立羽毛，让平时没有接触到外界空气的(de)(de)皮肤不被闷着。还有的鸟类(niǎolèi)是为了“伪装”，就(jiù)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(jiǎzhuāng)自己是有毒的绒蛾科毛毛虫。

热天下让羽毛(yǔmáo)动起来的家燕 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(gōngnéng)发生了显著的适应性转变。以鸮鹦鹉和(hé)渡渡鸟为例，它们翅膀短小，腿部强健，但保留了不对称的片状(zhuàng)羽毛，且初级飞羽的数目依旧是 9-11 根(gēn)。相比之下，南方鹤鸵(tuó)、大美洲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(bùjǐn)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(gèng)像毛 图片来源：作者拍摄于上海动物园

这背后的原因又是什么呢？学界对 30 类不飞行鸟类及其近缘物种的骨骼和羽毛(yǔmáo)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(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(chángduǎn)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(dī)，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(jiàngdī)，甚至变得像小斑几维那样只剩下绒毛。同时，翅膀上的初级飞羽数量也(yě)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(jiédiǎn)有关。在漫长的演化历程中，鸟类首先从有齿、长尾(zhǎngwěi)的鸟翼(niǎoyì)类恐龙演化为(wèi)具备飞行能力的现代鸟类，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(gèng)低。

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

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

作者(zuòzhě)丨吕泽龙 中国科学院动物研究所