“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(niǎolèi)，你脑海中会浮现怎样的画面？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(dào)——恐龙。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(yīyàng)长有羽毛(yǔmáo)。

不过，与现代鸟类的羽毛相比，这些恐龙的羽毛形态更加(gèngjiā)多样：有些类似头发(tóufà)、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？在鸟类、非鸟类恐龙以及翼龙(yìlóng)身上，羽毛可能扮演着多重(duōzhòng)角色——或许是飞行的工具，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，让我们一同深入探索其中(qízhōng)的奥秘(àomì)。

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(yǔwánglóng)（Yutyrannus）的尾部化石，保留有羽毛证据(zhèngjù) 图片来源：维基百科

其实，羽毛最初的(de)形态并非我们所熟知的那样，而是有点类似(lèisì)于丝绒或者头发。不过它们(tāmen)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角蛋白。

早期的羽毛(yǔmáo)是从皮肤表面延伸出来的丝状结构，呈中空圆柱形且没有(méiyǒu)分叉，可能用于伪装(wěizhuāng)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(yǔmáo)的赫氏近鸟龙(niǎolóng)标本 图片来源：作者拍摄于国家自然博物馆

圆柱形且中空的(de)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，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(biǎomíng)，这些原始的(de)(de)羽毛(yǔmáo)可能起源于鸟臀目恐龙、蜥臀目恐龙和翼龙的最近共同祖先，只不过在后续演化道路上，有些成员(chéngyuán)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。

原始中华龙鸟化石模型，有原始的丝状羽毛 图片来源：作者拍摄(pāishè)于国家自然(zìrán)博物馆

天宇(tiānyǔ)龙(lóng)复原图 图片来源dinosaurpictures.org

在兽脚类恐龙的(de)(de)(de)廓羽盗龙类分支中(zhōng)（包括窃蛋龙类、鸟翼(niǎoyì)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。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(cū)的“分割线”为羽轴 图片来源：维基百科

胡氏耀龙标本，有尾巴羽毛(yǔmáo) 图片来源：维基百科

当片状(piànzhuàng)羽毛(yǔmáo)演化出不对称结构(jiégòu)时，往往预示(yùshì)着飞行能力的出现(chūxiàn)。仔细观察这些(zhèxiē)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(dài)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。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(de)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恐龙虽然拥有片状(piànzhuàng)羽毛，但它们羽毛片中间的羽轴相对纤细(xiānxì)，而且羽小枝排列很松散(sōngsǎn)，没有强韧的连锁结构。

反鸟类属于鸟类但是(dànshì)并非现代鸟类，它们则拥有变厚的羽轴这(zhè)一新特征，但是羽小枝之间排列依旧不够(bùgòu)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(kàngsīliè)，羽小枝紧密排列在一起，飞行效率显著较高。

反鸟类的代表类群之一——渤海鸟类 图片(túpiàn)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(pāishè)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(hěnduō)类似鸟的非鸟类恐龙则没有这个结构(jiégòu)。当羽小枝排列较为松散时，就会(huì)形成鸟类和(hé)部分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，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(shùmù)也有所增加(yǒusuǒzēngjiā)。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(dào)分叉（II），再到羽轴和(hé)羽小枝(xiǎozhī)形成（IIIa和IIIb），最后羽小枝排列起来（Stage IV），不对称飞羽形成（Stage V）

图片来源：参考文献(cānkǎowénxiàn)[15]

羽毛是(shì)如何发育形成的？

为了(le)找出羽毛发育形成的(de)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，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，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(yuánběn)光滑(guānghuá)的鳞片转变为羽毛。

鸡胚胎(pēitāi) 12 天的原始羽毛 图片来源：参考文献[3]

鸡爪的鳞片转变为羽毛实验 图片来源(láiyuán)：参考文献[17]

考虑到鸡胚胎在发育(fāyù)的过程中，羽毛原基会发育成相应(xiāngyìng)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(yòng)药物抑制这一基因信号通路。然而，实验并未达到预期(yùqī)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，鸡羽毛逐渐发育为结构复杂的绒羽和片状羽毛等。

这一(zhèyī)结果表明，从龙到(cónglóngdào)鸟类的羽毛性状结构变得复杂(biàndéfùzá)，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羽毛发育(fāyù)。当然，在实验中那些被加入药物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(gèng)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]

胚胎分别加入不同量(liàng)抑制药物的小鸡的羽毛(yǔmáo)生长(shēngzhǎng)情况（从左到右依次是对照组，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(shì)并非鸟翼类的中国龙鸟，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(kěyǐ)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(lèi)演化出羽毛时，其(qí)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(chóngxīn)发育出鳞片。这一演化特征在现代家鸡(jiājī)的足部鳞片中得到了典型体现。

在功能(gōngnéng)上，科学家们还发现了不同鸟类(niǎolèi)和恐龙羽毛的(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）。这类羽毛可以作为(zuòwéi)感受器，主要功能是感知正羽（上文提到的片状的羽毛，有对称和不对称两种）的姿态(zītài)。

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(lì)肌和(hé)抑制肌，前者负责立起来羽毛(yǔmáo)，后者反之）的(de)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(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(wǒmen)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(láiyuán)：作者拍摄于国家动物博物馆

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

热天下让羽毛动起来的家燕 图片(túpiàn)来源：作者拍摄于北京奥森公园

栗斑翅伞鸟和它伪装出的(de)虫子 图片来源：sci

对于不会飞的(de)鸟(niǎo)而言，其(qí)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，它们翅膀短小，腿部强健，但保留了不对称的片状羽毛，且初级飞羽(fēiyǔ)的数目(shùmù)依旧是 9-11 根。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，羽毛看着更像毛 图片(túpiàn)来源：作者拍摄于上海动物园

这背后的原因又是什么呢(ne)？学界对 30 类不飞行鸟类及其近缘物种(wùzhǒng)的骨骼和羽毛进行对比发现，在飞行能力退化(tuìhuà)过程中，这些鸟类的腿部和翅膀演化速率更(gèng)快，而羽毛形态演化速率相对慢。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(zhìhòu)。

羽毛的演化主要表现为不对称性逐渐降低(jiàngdī)，甚至变得像(xiàng)小斑几维那样只剩下绒毛。同时，翅膀上的初级飞羽数量也不再保持(bǎochí)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(de)改变还与飞行能力丧失的时间节点有关(yǒuguān)。在漫长的演化历程中，鸟类首先从有齿、长尾的鸟翼类恐龙演化为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(tuó)、大美洲鸵和企鹅等(děng)很早丧失飞行能力鸟类，较晚(jiàowǎn)丧失飞行能力的鸟类羽毛“爆改”程度更低(dī)。

上图为(wèi)飞行鸟类不对称(duìchèn)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(jīngrén)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(bùtóng)生态环境的卓越适应能力。

作者丨(gǔn)吕泽龙 中国科学院动物研究所