鳥類如何憑借羽毛“征服”天空？

2025-08-29 00:00:00裘銳

知識就是力量 2025年7期

羽毛是鳥類“征服”天空的核心工具。在億萬年的演化中，飛翔、保暖、求偶……羽毛承載了多種功能。從無到有，從簡至繁，為更好地適應、征服天空，鳥類的羽毛都完成了哪些演化？讓我們通過白堊紀羽毛化石，一探其超微結構和演化意義。

振翅凌云向天飛去

密集的羽毛在鳥類前肢上排列形成翅膀。從翅膀的橫截面來看，鳥類的翅膀和飛機一樣，是上凸下凹的。

空氣在流動過程中，遇到上凸下凹形狀的障礙物時，上方（凸面）的空氣流動速度會加快，下方（凹面）的空氣流動速度則相對較慢。由此可知，翅膀上的凸面壓力小，下方的凹面壓力大，二者間的壓力差會使翅膀產生一個向上的托舉力，這就是鳥類可以飛上天空的重要原因之一。

與此同時，若要維持這種穩定的壓力差，需要翅膀有一個大而密實的，且無法透風的平面。

鳥類的羽毛由羽軸和兩側的羽片組成，羽片雖然叫“片”，但事實上，它們是由無數根細長的羽枝組成的。那么，為什么羽枝在飛行過程中不會散開，而是形成一個密不透風的平面呢？

“名不副實”的羽小枝

每根羽枝兩側的羽小枝是解開這一奧秘的關鍵。

羽小枝雖然以“枝”為名，但它卻一點也不像樹枝。它僅在末端一半呈柔軟的細長狀，靠近基部的另一半則為片狀，并且呈“L”形彎曲。相鄰的羽小枝彼此接觸，就會形成一個閉合的平面。為了在飛行時維持這個平面的穩定，其中一側羽小枝的細長部分的腹面演化為一排鉤子，被稱為羽小鉤；另一側羽小枝的片狀部分的背面則演化為一個凹槽。

羽小枝形態特寫。（a）羽小枝腹面，（b）羽小枝背面，可見羽小枝之間彼此接觸形成的密實平面，（c）無鉤羽小枝遠端，（d）有鉤羽小枝遠端（供圖/裘銳）

羽小鉤嵌入于凹槽之內，形成類似拉鏈的互鎖結構，被稱為鉤槽聯鎖機制。為了進一步保持羽毛形狀的穩定，具有凹槽一側的羽小枝的末端還具有結節，從而防止羽小鉤受到外力時在羽小枝上滑動，這一機制被稱為級聯滑鎖系統。鉤槽聯鎖機制與級聯滑鎖系統雙重機制的緊密結合，使鳥類飛行羽毛兼具超強抗撕裂能力與自修復功能。

我們有時會看到，鴨子、鴿子會在休息間隙頻繁地整理羽毛，這其實就是它們在把飛行時變形的羽毛恢復原狀。

從時光的印跡中尋找證據

由于鳥類正羽的羽小枝的鏈接機制非常復雜，其起源一直撲朔迷離。很多科學家把目光對準了絨毛，相比于結構復雜的正羽的羽小枝，鳥類絨毛的羽小枝結構較為簡單，其基部呈柔軟的帶狀，中遠段像竹子一樣分成一節一節的，有的節與節之間還有小刺。

有研究人員曾從小刺和羽小鉤受力的情況進行分析，認為正羽的有鉤羽小枝起源于絨毛的節狀羽小枝。然而，這一論斷缺乏直接的演化證據。那么，能否從羽毛化石中找到羽小枝演化的信息呢？

近年來，在我國遼寧西部、河北北部和內蒙古東南部中生代地層發現了一系列帶羽毛恐龍化石，為揭秘羽毛的宏觀演化提供了諸多證據。但研究顯示，羽毛的羽小枝等超微結構往往在成巖時被破壞，在頁巖中保存的化石僅能留存羽毛的宏觀形態，僅有極個別化石保存了羽小枝。因此，鳥類飛羽的鉤槽聯鎖機制與級聯滑鎖系統究竟如何演化而來，始終缺乏直接證據。

相比于在頁巖中保存的化石，在中生代琥珀中保存的羽毛化石在成巖過程中發生的形變較少，具有保存超微結構的潛力。

在琥珀中一窺超微結構

為了解決鳥類羽毛超微結構的演化問題，一個完全由我國科學家組成的研究團隊對緬甸晚白堊世（約9900萬年前）琥珀中5塊珍稀羽毛化石展開研究。

研究團隊使用有機溶劑對琥珀表面進行局部處理，并利用激光共聚焦顯微鏡和掃描電鏡的聚焦離子束技術，對琥珀中保存的三維羽毛結構展開微米級解析。研究發現了兩種在現代鳥類中從未見過的羽毛類型——類型I羽毛與類型II羽毛。

類型I羽毛

類型I羽毛近乎對稱的羽片由極細的羽軸支撐，羽枝基部寬度甚至小于分生的羽小枝。這樣纖細的的羽軸顯然無法支持鳥類飛行，在化石中常見于與鳥類親緣關系較近的非鳥恐龍。

但值得注意的是，這根羽小枝基部的橫截面呈獨特的“L”形彎曲，與現代鳥類的飛羽相似，但缺乏鉤槽結構。更令人驚訝的是，該羽小枝中遠段保留絨羽典型的結節結構。

這證明：羽毛從絨羽向飛羽的演化是通過“基部形態改造”與“末端功能強化”的分階段創新實現的。絨羽的節狀羽小枝到正羽的有鉤羽小枝的變化很可能首先發生在基部，由柔軟易變形的帶狀轉變為寬闊的片狀并呈“L”形彎折。彎折之后的羽小枝形成一個類似三腳架的穩定支撐，使之在受到外力時，也能盡量與羽枝之間維持一個穩定的角度。就像一個細長的紙條很容易變形，但如果將其對折，強度也會明顯增大，再變形就不那么容易了。