“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画面？是展翅高飞的雄鹰，还是(háishì)城市公园中随处可见(suíchùkějiàn)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(xī)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(yǔmáo)相比，这些恐龙(kǒnglóng)的羽毛形态更加多样：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。

这些羽毛究竟从何而来(cónghéérlái)？在鸟类(niǎolèi)、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(wàiyī)。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(zhèngjù) 图片来源：维基百科

其实，羽毛最初的形态(xíngtài)并非我们所(suǒ)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(bèitǎ)角蛋白。

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

具有片状羽毛的(de)赫氏近鸟龙标本 图片来源：作者拍摄于(yú)国家自然博物馆

圆柱形且中空的丝状(sīzhuàng)结构羽毛(yǔmáo)在天宇龙、鹦鹉嘴龙、古林达奔龙身上发现过，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(niǎo)臀目恐龙(lóng)、蜥臀目恐龙和翼龙的最近共同(gòngtóng)祖先，只不过在后续演化(yǎnhuà)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(yǔ)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(yǔmáo) 图片来源：作者拍摄于国家自然博物馆

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

在(zài)兽脚类恐龙的(de)廓羽盗龙类(dàolónglèi)分支中（包括窃蛋龙类、鸟翼类、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(shàng)明显的修长尾羽可能(kěnéng)就是装饰，用以吸引异性。

珍珠鸡羽毛，红色圈内较粗的(de)“分割线”为(wèi)羽轴 图片来源：维基百科

胡氏耀龙标本(biāoběn)，有尾巴羽毛 图片来源：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)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(yǔzhī)。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(páiliè)，依靠它们(tāmen)的羽小钩互相“咬(yǎo)”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(yòngyú)飞行的羽毛足够“强韧”，抗撕裂。

抗撕裂的飞行羽毛(yǔmáo)并非所有恐龙的共同特征。在廓羽盗龙类(dàolónglèi)中，伤齿龙科和驰龙科这些近(jìn)鸟类非鸟(fēiniǎo)恐龙虽然拥有片状羽毛，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，没有强韧的连锁结构。

反鸟类(niǎolèi)属于鸟类但是并非现代鸟类，它们则拥有变厚的羽(yǔ)轴这一新特征，但是羽小枝之间排列依旧(yījiù)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(hòuyì)——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。

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

顾氏小盗龙化石 图片来源(láiyuán)：作者拍摄于国家自然博物馆

近期研究中，科学家发现始祖鸟具有三级飞羽，而很多类似鸟的非鸟类恐龙则没有这个结构。当羽小枝(xiǎozhī)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(báiè)世期间，其骨骼结构经历了显著变化，物种数目(shùmù)也(yě)有所增加。鸟翼类中的真(zhēn)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（IIIa和IIIb），最后(zuìhòu)羽小枝排列起来（Stage IV），不对称飞羽(fēiyǔ)形成（Stage V）

图片来源：参考文献(cānkǎowénxiàn)[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）的胚胎进行了实验(shíyàn)，尝试让鸡全身长出丝状的原始羽毛。

如何诱导原始羽毛的(de)生长呢？关键在于 SHH 信号(xìnhào)通路，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羽毛。

鸡胚胎 12 天的原始羽毛(yǔmáo) 图片来源：参考文献[3]

鸡爪的鳞片转变为羽毛(yǔmáo)实验 图片来源：参考文献[17]

考虑到鸡胚胎在发育的过程中(zhōng)，羽毛原基会(huì)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(jīyīn)信号(xìnhào)通路。然而，实验并未达到预期效果——虽然药物在早期阶段显示(xiǎnshì)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。

这一结果表明，从龙到鸟类的(de)(de)羽毛(yǔmáo)性状结构变得复杂，依赖的是复杂的基因调控(tiáokòng)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(shíyàn)中那些被加入药物抑制基因信号通路的鸡(jī)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(jiārù)不同量抑制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类的中国龙鸟，鸟翼类原始的近鸟龙，鸟翼类的会(huì)鸟，反鸟类(niǎolèi)的华夏(huáxià)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]

当鸟类演化出羽毛时，其(qí)体表的鳞片也并非全都消失(xiāoshī)了。基于(jīyú)对鸟翼类恐龙(kǒnglóng)（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，科学家们还发现了不同(bùtóng)鸟类和(hé)恐龙羽毛的特别用处。除了(chúle)我们熟悉的蓝孔雀、红原(hóngyuán)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(xiānyǔ) 图片来源：allaboutbirds

位于尾部(wěibù)对称的正羽 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(yǔmáo)，后者反之）的(de)控制下(xià)，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(zhuàngtài)。一些鸟类头上的羽毛就能以此表示它们受到了惊吓。比如(bǐrú)凤头鹰（一种(yīzhǒng)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(yú)国家动物博物馆

不过，鸟儿“炸毛”除了受到(dào)惊吓，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(méiyǒu)接触到外界(wàijiè)空气的皮肤不被闷着。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。

热天下让羽毛动起来的(de)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(duìyú)不会飞的(de)鸟而言，其羽毛的功能发生了(le)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，南方鹤鸵、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：不仅丧失了飞行功能，其羽片结构也趋于简化(jiǎnhuà)（如鹤鸵的毛发状羽毛与(yǔ)布偶猫的被毛相似），初级飞羽数目也有所改变。

大(dà)美洲鸵，羽毛看着更像毛 图片来源：作者拍摄于上海动物园

这背后(bèihòu)的原因又是什么(shénme)呢？学界对 30 类不飞行鸟类及其近缘物种的骨骼和(hé)羽毛进行对比发现，在飞行能力退化过程中，这些鸟类的腿部和翅膀演化(yǎnhuà)速率更快，而羽毛形态演化速率相对慢(màn)。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(zhǔyào)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(fēiyǔ)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(yǔmáo)性状的改变还与飞行能力(nénglì)丧失的时间节点有关。在漫长的演化历程中，鸟类首先从有齿、长尾的鸟翼类恐龙(kǒnglóng)演化为具备飞行能力的现代鸟类，随后部分类群(lèiqún)又(yòu)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(qízhōng)，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，但是有些羽毛类似头发，如最(zuì)左侧的鹤鸵羽毛。图片来源(láiyuán)：参考文献[12]

由此观之，从恐龙到现代鸟类，羽毛在演化过程中展现出惊人的可塑性。它(tā)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(duì)不同生态环境的卓越适应能力。

作者丨吕泽龙(lǚzélóng) 中国科学院动物研究所