當(dāng)前關(guān)注：1.3億年前化石揭秘翼龍的飛行機(jī)制

科普時(shí)報(bào)記者 陳杰

(相關(guān)資料圖)

中生代的翼龍是最早演化出動(dòng)力飛行的爬行動(dòng)物，早于鳥(niǎo)類約7000萬(wàn)年征服藍(lán)天，其飛行機(jī)制激發(fā)了人們對(duì)飛行探索的欲望。近日，中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所汪筱林、周忠和研究團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、中山大學(xué)生態(tài)學(xué)院合作，在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《解剖學(xué)記錄》中國(guó)古生物專輯上，在線發(fā)表了哈密翼龍肩帶形態(tài)學(xué)與骨組織學(xué)的最新研究成果，揭示了翼龍的飛行機(jī)制。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)新疆哈密下白堊統(tǒng)吐谷魯群勝金口組產(chǎn)出的哈密翼龍肩帶研究發(fā)現(xiàn)，其肩胛骨和烏喙骨形成愈合的骨性結(jié)合的肩胛烏喙骨，代表了翼龍飛行演化過(guò)程中獨(dú)特的肩帶適應(yīng)。對(duì)哈密翼龍肩帶形態(tài)學(xué)研究表明，由于翼龍飛行的主要?jiǎng)恿εc鳥(niǎo)類相似，哈密翼龍的頂烏喙突可能是喙上肌的滑輪。但與鳥(niǎo)類不同的是，翼龍肩臼窩和肱骨頭均呈現(xiàn)凹陷的關(guān)節(jié)面，構(gòu)成鞍狀關(guān)節(jié)，導(dǎo)致肱骨頭旋轉(zhuǎn)可能受限，表明翼龍可能通過(guò)特殊機(jī)制控制前臂旋轉(zhuǎn)，以便在飛行中改變翼面形態(tài)。對(duì)其肩臼窩的組織學(xué)研究發(fā)現(xiàn)該位置疑似保留有軟骨組織，表明翼龍的肩臼窩可能與鳥(niǎo)類一樣具有厚實(shí)的關(guān)節(jié)軟骨以緩沖飛行壓力。該研究對(duì)比分析了翼龍和鳥(niǎo)類肩帶關(guān)節(jié)在飛行適應(yīng)上的相似性與差異性，指出在研究翼龍飛行適應(yīng)機(jī)制時(shí)需要更加謹(jǐn)慎，才能更好地去了解這一獨(dú)特滅絕飛行動(dòng)物的生活面貌。

與哈密翼龍頭骨等化石保存在一起的肩帶標(biāo)本 中科院古脊所供圖

飛龍?jiān)谔飕F(xiàn)于地

翼龍的皮膜翼讓一些早期學(xué)者認(rèn)為它們的飛行機(jī)制類似蝙蝠，但隨著研究發(fā)現(xiàn)翼龍與鳥(niǎo)類具有更近的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，后來(lái)的學(xué)者更多以鳥(niǎo)類作為翼龍飛行研究的參照對(duì)象。翼龍顯然具有一些與鳥(niǎo)類相似的肩帶特征，包括馬鞍狀的肩臼窩，柱狀的烏喙骨及非常發(fā)育的頂烏喙突等。但翼龍缺少叉骨，肩胛骨與背椎構(gòu)成關(guān)節(jié)，且有愈合的肩胛烏喙骨等特征則明顯與鳥(niǎo)類不同。以往的研究也注意到翼龍和鳥(niǎo)類的飛行機(jī)制之間可能存在差異，比如喙上肌可能不是翼龍翅膀上揚(yáng)的主要?jiǎng)恿Γ@些結(jié)果并未得到廣泛的認(rèn)可。

哈密翼龍富集于白堊紀(jì)的湖相地層中，由于湖泊風(fēng)暴導(dǎo)致的大量集群死亡和特異埋藏，在化石地點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了大量三維保存的從幼年到成年不同發(fā)育階段的骨骼及其蛋和胚胎化石，世所罕見(jiàn)。近二十年來(lái)，汪筱林研究員帶領(lǐng)哈密科考隊(duì)對(duì)哈密翼龍及其沉積地層開(kāi)展了持續(xù)的野外考察和研究工作，揭示了關(guān)于哈密翼龍形態(tài)特征、系統(tǒng)發(fā)育、生長(zhǎng)方式、繁殖、群體習(xí)性及化石埋藏等多方面的信息，為還原其歷史生活環(huán)境面貌提供重要參照，也為進(jìn)一步研究其飛行奠定了良好的基礎(chǔ)。

具有獨(dú)特的肩帶關(guān)節(jié)方式

為了深入了解翼龍的飛行機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)數(shù)件哈密翼龍肩帶標(biāo)本開(kāi)展了詳細(xì)的形態(tài)學(xué)和組織學(xué)分析。組織學(xué)特征分析發(fā)現(xiàn)了哈密翼龍肩臼窩中的鈣化透明軟骨組織，其肩胛骨與烏喙骨在個(gè)體成年之前就已經(jīng)完全愈合形成骨性結(jié)合，這與鳥(niǎo)類中終生不愈合的肩胛骨與烏喙骨、以及現(xiàn)生鱷類在成年中愈合的肩胛烏喙骨均不同。該特征在系統(tǒng)發(fā)育位置非?；傻囊睚堉芯鸵呀?jīng)出現(xiàn)，可能代表翼龍類的祖征。哈密翼龍肩帶的愈合情況表明翼龍并未如鳥(niǎo)類一樣，伴隨飛行的演化而出現(xiàn)分離的肩胛-烏喙骨關(guān)節(jié)，反映了翼龍與鳥(niǎo)類飛行機(jī)制的差異性。

與鳥(niǎo)類相似的飛行肌肉

之前的研究認(rèn)為，翼龍頂烏喙突（二頭肌結(jié)節(jié)）與烏喙骨骨體之間的溝槽為氣囊導(dǎo)管的通道，翼龍的喙上肌如鱷類一樣位于烏喙骨外側(cè)，不具有抬升肱骨的功能。

研究人員通過(guò)對(duì)哈密翼龍肩帶進(jìn)行CT掃描三維模型重建和形態(tài)學(xué)分析表明，其頂烏喙突與烏喙骨骨體之間的溝槽通向肩臼窩而非氣凹，氣凹位于溝槽前側(cè)，貫穿烏喙骨骨體內(nèi)連接下方氣凹。兩個(gè)氣凹可能是前部氣囊系統(tǒng)的構(gòu)成部分，分別為其入出口，氣囊導(dǎo)管可經(jīng)由前方及下方氣凹與氣囊連接，不必經(jīng)行后方溝槽。因此，該溝槽更有可能是喙上肌肌腱的切跡，指示其喙上肌如同鳥(niǎo)類一樣繞行頂烏喙突內(nèi)側(cè)連接肱骨近端，頂烏喙突可實(shí)現(xiàn)類似的滑輪功能。翼龍可能如鳥(niǎo)類一樣利用喙上肌收縮實(shí)現(xiàn)翅膀上揚(yáng)，反映二者飛行機(jī)制的相似性特征。

不同于鳥(niǎo)類的難以轉(zhuǎn)動(dòng)的肱骨

翼龍肱骨頭與肩臼窩的關(guān)節(jié)面均凹陷，構(gòu)成鞍狀關(guān)節(jié)，與鳥(niǎo)類凸起的肱骨頭和半鞍狀肩關(guān)節(jié)不同。這種關(guān)節(jié)形態(tài)使肱骨頭可以在垂直和水平兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，但會(huì)限制肱骨頭在肩臼窩中的旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致翼龍可能無(wú)法像鳥(niǎo)類一樣依靠肱骨旋轉(zhuǎn)改變翼面形態(tài)，來(lái)減少翅膀上揚(yáng)阻力。同時(shí)，皮膜質(zhì)的翅膀也無(wú)法像飛羽一樣產(chǎn)生空隙。因此翼龍需有其他方法來(lái)調(diào)節(jié)翅膀形態(tài)以減少飛行阻力，可能需要在同樣具有皮膜翼的蝙蝠中尋找答案，這反映出翼龍與鳥(niǎo)類飛行機(jī)制的進(jìn)一步差異性。

對(duì)哈密翼龍肩帶骨骼的形態(tài)學(xué)和組織學(xué)分析顯示，翼龍的飛行機(jī)制既有與蝙蝠的相似性，又有與鳥(niǎo)類的相似性，還有自己的獨(dú)特適應(yīng)。

標(biāo)簽： 系統(tǒng)發(fā)育 肩胛烏喙骨