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中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员王敏:破译鸟类起源密码

中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员王敏:破译鸟类起源密码

中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员王敏:破译鸟类起源密码

(神秘的地球uux.cn报道)据科技日报(记者 唐婷):研究的乐趣就在于,今天我们认为是对的东西,明天可能就会被完全颠覆。目前,我们对鸟类起源与演化的认识还不完整,因此需要找更多的化石证据,不断改进研究方法。

王敏

中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员

黑色方框眼镜,深蓝色上衣搭配牛仔裤、球鞋,眼前的年轻人,和《生活大爆炸》里的宅男科学家莱纳德有几分神似。他就是中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员王敏,前不久其荣获第十六届中国青年科技奖。

“在别人眼里,我可能比较无趣,周六日更愿意‘宅’在家里追剧或者看球赛,而不愿出去爬山郊游、亲近自然。”王敏笑着说。

可不爱旅游的王敏,几乎每年都会去进行野外调查。无意山水的他,对石头却情有独钟。不过他寻找的可不是普通的石头,而是鸟类化石。

借助一块块看似平淡无奇的石头,他和所在团队破译了一道道鸟类起源和早期演化的密码,不断刷新和丰富着人们对鸟类起源和演化的认知。

改写今鸟型类起源时间

高考时,王敏的第一志愿是生物工程,结果误打误撞进入了古生物学与地层学专业。

虽都有生物二字,但两个专业差异很大。起初两年,铺天盖地的地质学知识,让王敏感到十分枯燥。

一次野外实习,改变了王敏对专业的看法。“当书本上学到的知识,在现场一一得到验证,你才会真正地接受它,并且想了解更多。”王敏说。

从古生物学与地层学到古脊椎动物研究,再到鸟类起源与演化研究,王敏的科研视角逐步走向深入,也渐渐发自内心地爱上了自己的专业。

在王敏看来,他的工作就像探案一样,面对眼前的生物化石,需要去回答它生前是如何运动的、体重多少、兄弟姐妹是谁、死亡时的年龄等等。“虽然化石不会说话,但你可以提出一个个大胆的假设,再一步步去验证。”王敏说。

在“破案”的过程中,不时会出现一些惊喜。2015年,王敏所在团队与其他机构合作,发现了世界上迄今最古老的今鸟型类化石,将其命名为弥曼始今鸟。相关论文发表在《自然·通讯》上,王敏是论文的第一兼通讯作者。这项研究工作当时被《科学》的评述文章评价为“近10年来有关鸟类早期演化研究中最重要的发现”。

“此前,世界上最古老的今鸟型类化石发现于热河生物群的义县组,距今约1.25亿年。而我们研究的新标本发现于河北丰宁四岔口盆地的花吉营组。”王敏介绍,同位素测年表明花吉营组含鸟化石层距今约1.3亿年,因此,新标本代表了今鸟型类已知最古老的化石记录,将今鸟型类的起源时间向史前推进了至少5百万年。

中生代鸟类主要包括今鸟型类、反鸟类和一些更基干的鸟类。今鸟型类是早白垩世最为进步的一个类群,现生鸟类就是从中演化而来的。

王敏对中生代鸟类的系统发育进行了大量分析。结果表明,相比于时代更晚的其他红山鸟类,弥曼始今鸟在系统树上更为进步。弥曼始今鸟较进步的系统位置和较早的出现时间,显示出地层与谱系关系的不一致性,表明今鸟型类起源的时间较已有的认识更早。同时,也将除始祖鸟外的其他原始鸟类支系的起源和分异时间向前推进到晚侏罗世——早白垩世。

发现最古老的鸟类食团

不仅关注鸟类的起源,早期鸟类吃什么、怎么吃,也是王敏关注的重点。

在鸟类漫长的演化历史中,它们失去了牙齿和厚重的上、下颌,取而代之的是轻质的角质喙,同时还演化出了特别的消化系统,使他们能将食物“囫囵”吞入,而不经过咀嚼。

“对于骨骼、毛发等难以消化的东西,鸟类会以食团的方式将其从口中吐出,而并非像其他脊椎动物那样,将其随着粪便排出体外。”王敏介绍。

鸟类的胃分化为腺胃和肌胃,腺胃能够分泌消化液对食物进行软化,而肌胃则主要对食物进行机械的研磨。鸟类的肌胃和小肠之间的幽门狭小,且小肠壁薄,因此骨头等难以消化的东西难以通过幽门,而残留在肌胃里。

随着肌胃的收缩,被压扁的食团再通过消化道的逆蠕动作用,由肌胃向前运移,依次通过腺胃、食道,最终从嘴巴吐出。这样的消化过程不仅能够使鸟类快速将食物吞入体内,减小被捕食的机率,同时能将难以消化的东西迅速排出体外,减轻体重。

在研究一件发现于辽西早白垩世的九佛堂组反鸟类标本时,王敏发现其肱骨下方有一纺锤形的团聚物,其含有狼鳍鱼的骨骼碎片。将其与现生鸟类、鳄鱼的消化系统进行对比后,王敏认为该团聚物为鸟类的食团。

“这件标本距今约1.2亿年,这是迄今最古老的有关鸟类食团的化石记录。”王敏介绍。

提出早期鸟类尾骨与尾羽独立演化假说

在恐龙向鸟类的演化过程中,尾骨的变化最为显著。不同于恐龙所具有的长尾骨,现生鸟类的尾骨显著缩短,特别是最后几枚尾椎愈合成一个尾综骨。

现生鸟类的尾综骨在侧视时呈犁状,其表面附有肌肉和纤维脂肪,因而能够控制扇状尾羽的展开和闭合,这是现实飞行的重要条件。此前,这样的犁状尾综骨仅出现在今鸟型类,而扇状尾羽也多发现于今鸟型类中;相反,在反鸟类和其他更为原始的鸟类中,尾综骨形态结构单一而呈长杆状,扇状尾羽也很少在这些鸟类中出现。

因此,研究者此前普遍认为犁状尾综骨和扇状尾羽是同步演化的。然而,王敏团队对一件发现于1.3亿年前的早白垩世反鸟类——多齿胫羽鸟化石的研究挑战了这一观点。

研究人员发现,多齿胫羽鸟的尾综骨显著缩短,相对长度与今鸟型类相近。更为重要的是,多齿胫羽鸟的尾综骨末端向背侧弯曲,从而形成了和今鸟型类完全相同的犁状尾综骨。然而,多齿胫羽鸟并不具有扇状尾羽;相反的,它的尾羽都是非羽片状的,表明今鸟型类的尾综骨通过平行演化的方式至少在多齿胫羽鸟这类反鸟类中已经演化出来了。这意味着,“犁状尾综骨——扇状尾羽的协同演化”假说需要被重新考虑。

结合发育生物学知识,再综合利用新研究方法,王敏团队提出尾综骨和尾羽在鸟类早期演化中独立演化的假说,挑战了长期占主导的学术观点。这项成果被中国古生物学会评为2017年度中国古生物学十大进展。

“研究的乐趣就在于,今天我们认为是对的东西,明天可能就会被完全颠覆。目前,我们对鸟类起源与演化的认识还不完整,因此,需要找到更多的化石证据,不断改进研究方法,听取更多的意见,才能让我们的认知日渐完善起来。”王敏说。

在探索鸟类起源与早期演化的道路上,王敏还将走得更远。




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