与生活在陆地、海洋的动物相比,飞翔在天空中的鸟儿,有什么与众不同的特点呢?第一个答案或许就是羽毛。

对于鸟类来说,轻盈而精巧的羽毛是非常重要的一种结构。除了帮助鸟类飞上天空,羽毛还具有更多复杂的功能:一方面,细密的羽毛可以在体表形成隔热层保持体温;另一方面,鸟类羽毛具有丰富多彩的特点,这也使其成为鸟类在繁殖行为、种内和种间视觉交流中的一种重要的信息传递媒介。

对于鸟类而言,羽毛的磨损时时刻刻都在发生。因此,它们需要独特的策略去更换这些磨损的老旧羽毛。

鸟类换羽的两种模式

系列研究发现,鸟类换羽行为可以大致分为两种模式,即顺序换羽模式和非顺序换羽模式。

顺序换羽模式,指羽毛,尤其是飞羽,按照一定的顺序,在两翼对称而缓慢地替换。采用顺序换羽模式的鸟类,它们的羽毛是有序替换的,虽然每年都会分时段脱落一片到几片羽毛,但这些鸟类的整体飞行能力几乎不会受到影响。

非顺序性包括同时换羽模式和随意换羽模式。前者是指鸟类会在一年当中的某一特定时间段,把和飞行相关的羽毛统一换掉。这种行为带来的问题,就是在这一时期,这些鸟类会失去飞行能力。

随意换羽模式的鸟类,它们的换羽行为非常随机,缺少统一顺序或者统一的换羽时间,因此这种换羽模式都是发生在没有飞行能力的鸟类当中,例如加拉帕戈斯的弱翅鸬鹚。

远古的鸟类如何更换羽毛

那么,鸟类身上这种换羽行为是怎么演化形成的?最早的鸟类如何更换它们的羽毛?

中国科学院古脊椎所徐星研究员团队和以色列海法大学生物学家一起合作,在著名学术期刊《当代生物学》上发表了一篇研究论文。这项研究基于一个由302个现生鸟类换羽行为信息构成的数据集,采用祖先状态特征分析方法,对鸟类换羽的演化历程,进行了宏观演化分析。

祖先状态特征分析方法是近些年来新兴的一种宏观演化分析方法。形象地说,这种方法就像在家谱架构下,恢复家族每一代人的迁徙轨迹和生平。有了这些信息,就可以推算目标特征在演化过程中变化的情况,估算这些特征在这一类生物的祖先身上可能存在的状态,甚至计算特征变化速率、变化模式等。

鸟类的换羽行为,就非常适合进行祖先状态特征分析。在进行分析时,首要解决的问题是“最早的鸟类是顺序换羽还是非顺序换羽”。

此次研究结果发现,包括现生鸟类、已经灭绝的反鸟类等类群的全部鸟类在内,它们的祖先都是以顺序性换羽模式进行换羽的。也就是说,至少在距今7000万年前,换羽行为就已经伴随着最早的鸟类出现了。当今鸟类中几个独立的非顺序性换羽的演化支,可能是后来独立演化出来的。

同时,这项研究还发现,鸟类的换羽模式与鸟类的栖息地选择有关。顺序换羽模式的鸟类可以保持全年稳定的飞行能力,因此不需要在换羽期寻找特别的栖息地进行自我保护。而非顺序换羽模式的鸟类,在每年重要的换羽时期,由于飞行能力丧失,往往需要生活在特殊的栖息地。这些特殊的栖息地可以一定程度上缓解一些鸟类因为换羽而面临的危险情况,比如更难获取食物,以及更容易被捕猎者捕食等。

会飞的非鸟恐龙也要换羽

大量的化石显示,鸟类的近亲——非鸟恐龙绝大部分都具有羽毛。对于这些可能会飞的非鸟恐龙来说,换羽行为是怎样的呢?

带着这个问题,中以两国科学家对中国科学院古脊椎动物与古人类研究所收集的大量带羽毛恐龙的化石进行了详细观察。他们在一类著名的四翼恐龙——小盗龙的一件化石标本当中,观察到了明显的顺序换羽现象,这也是首次在非鸟恐龙中发现这种行为。

由于小盗龙的生存年代为距今约1.2亿年。因此这个发现又将顺序换羽行为可能出现的最早时间向前推进了一大步,范围也进一步扩大到了非鸟恐龙当中。保守地说,至少在距今1.2亿年前的早白垩世,鸟类或者一些非鸟恐龙,已经具有顺序换羽的行为了。

在小盗龙中发现顺序换羽行为的证据,证实了它们可能具有相当强的、可以维持全年稳定飞行的能力。同时,顺序换羽行为也说明,小盗龙所生活的环境可能缺少给它们提供换羽期保护的必要条件——也许在小盗龙生活的环境当中,食物资源不够丰富,或者它们面临全年的、较大的被捕食压力。这恰恰与小盗龙所生活的热河生物群的生态环境非常吻合。

(记者 秦子川)