化石揭示了古代鸟类如何蜕皮

你见过的每只鸟——动物园里的每只知更鸟、每只鸽子、每只企鹅——都是活恐龙。鸟类是唯一在 6600 万年前小行星引发的大灭绝中幸存下来的恐龙类群。但并不是当时所有活着的鸟都成功了。为什么现代鸟类的祖先还活着，而它们的许多亲戚却死去了，这一直是古生物学家几十年来一直试图解开的谜团。两项新研究指出了一个可能的因素：现代鸟类和它们的远古表亲在换毛方式上存在差异。

羽毛是所有鸟类共有的关键特征之一。它们由一种叫做角蛋白的蛋白质制成，与我们的指甲和头发的材料相同，鸟类依靠它们来飞行、游泳、伪装、吸引配偶、保暖和抵御阳光。但羽毛是无法修复的复杂结构，因此作为保持羽毛良好状态的一种手段，鸟类会在称为蜕皮的过程中脱落羽毛并长出替代品。小鸟蜕皮是为了失去幼年羽毛并长成成年羽毛。成熟的鸟类每年大约继续换毛一次。

“我认为很多人都没有想到蜕皮，但从根本上来说，这对鸟类来说是一个非常重要的过程，因为羽毛涉及许多不同的功能，”爬行动物化石副馆长景迈·奥康纳 (Jingmai O'Connor) 说道在芝加哥菲尔德博物馆。“我们想知道，这个过程是如何演变的?不同鸟类群体之间有何不同?这如何塑造了鸟类的进化，塑造了所有这些不同分支的生存能力?” 奥康纳最近的两篇论文研究了史前鸟类的蜕皮过程。

2023 年 5 月发表在《白垩纪研究》杂志上的一篇论文详细介绍了在 9900 万年前的一只幼鸟的琥珀中发现的一簇羽毛。

如今，小鸟出生时的发育程度以及需要父母帮助的程度各不相同。晚成鸟赤身裸体、无助地孵化;它们没有羽毛，这意味着它们的父母可以更有效地将身体热量直接传递到婴儿的皮肤上。另一方面，早成物种天生就有羽毛，并且相当自给自足。

所有幼鸟都会经历连续的换毛期，即它们失去现有羽毛并长出一套新羽毛的时期，然后最终长出成年羽毛。蜕皮需要大量的能量，而且一下子失去大量羽毛会让鸟儿很难保暖。因此，早熟的雏鸟往往会缓慢换毛，以便保持稳定的羽毛供应，而晚成的雏鸟则可以依靠父母提供食物和温暖，经历“同时换毛”，几乎在同一时间失去所有羽毛。

这项研究中琥珀保存的羽毛是幼鸟蜕皮的第一个明确的化石证据，它们揭示了一种幼鸟的生活史与当今活着的任何鸟类都不相符。“这个标本显示出早熟和晚熟特征的完全奇怪的结合，”奥康纳说，他是这篇论文的第一作者，与宾夕法尼亚州印第安纳大学的资深作者毕顺东一起。“所有身体羽毛基本上都处于完全相同的发育阶段，因此这意味着所有羽毛开始同时或几乎同时生长。” 然而，这种鸟几乎可以肯定是现已灭绝的反鸟类的一部分，奥康纳之前的研究表明，这种鸟非常早熟。

奥康纳推测，作为一只早熟的幼鸟，在经历快速换毛的同时，必须保持自己的温暖，所承受的压力可能是导致对映鸟最终灭亡的一个因素。“对映鸟是白垩纪最多样化的鸟类，但它们与所有其他非鸟类恐龙一起灭绝了，”奥康纳说。“当小行星撞击时，全球气温会急剧下降，资源会变得稀缺，因此这些鸟类不仅需要更高的能量来保持温暖，而且它们也没有资源来满足这些需求。”

与此同时， O'Connor 和菲尔德博物馆博士后研究员 Yosef Kiat 于 7 月 3 日在《通讯生物学》上发表了另一项研究，该研究检查了现代鸟类的蜕皮模式，以更好地了解该过程最初是如何进化的。

在现代成年鸟类中，蜕皮通常每年发生一次，是连续的过程，在几周的时间里，它们一次只更换一些羽毛。这样，它们在整个蜕皮过程中仍然能够飞行。成年鸟类同时换羽的情况比较罕见，即所有飞羽同时脱落并在几周内重新长出，这种情况往往出现在鸭子等水生鸟类中，这些鸟类并不绝对需要飞翔来寻找食物并躲避掠食者。

在鸟类化石和其他有羽毛的恐龙化石中发现蜕皮的证据非常罕见，奥康纳和吉亚特想知道其中的原因。奥康纳说：“我们有这样的假设，即同时换羽的鸟类(发生时间较短)在化石记录中的代表性会较少。”换羽时间越少，意味着在换羽过程中死亡并成为鸟类的机会就越少。化石显示出蜕皮的迹象。为了验证他们的假设，研究人员深入研究了菲尔德博物馆收藏的现代鸟类。

“我们测试了菲尔德博物馆鸟类学收藏中储存的 600 多张现代鸟类的皮肤，以寻找活跃蜕皮的证据，”该研究的第一作者 Kiat 说。“在连续换羽的鸟类中，我们发现了数十个处于活跃换羽状态的标本，但在同时换羽的鸟类中，我们几乎没有发现任何标本。”

虽然这些是现代鸟类，而不是化石，但它们提供了一个有用的替代品。“在古生物学中，我们必须发挥创造力，因为我们没有完整的数据集。在这里，我们使用随机样本的统计分析来推断某些东西的缺失实际上告诉我们什么，”奥康纳说。在这种情况下，尽管现代鸟类标本样本中活跃的蜕皮非常普遍，但没有蜕皮的鸟类化石表明鸟类化石的蜕皮并不像大多数现代鸟类那样频繁。它们可能同时进行换毛，或者它们可能不像今天大多数鸟类那样每年换毛。

琥珀标本和现代鸟类蜕皮的研究都指向一个共同的主题：史前鸟类和有羽毛的恐龙，尤其是那些没有在大规模灭绝中幸存下来的群体，其蜕皮方式与今天的鸟类不同。

奥康纳说：“从本质上讲，你能在冠鸟和干鸟之间发现的所有差异都成为关于为什么一组能够幸存而其余的没有的假设。” “我认为冠鸟(包括现代鸟类在内的这一群体)能够幸存下来，没有任何特殊原因。我认为这是特征的结合。但我认为，越来越清楚的是，蜕皮可能是恐龙能够生存的一个重要因素。”