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《Nature》发表校友徐星最新研究成果
日期: 2010-05-05  信息来源: 生物通

来自中科院古脊椎动物与古人类研究所,山东天宇自然博物馆等处的研究人员公布了有关羽毛起源和早期演化的重要成果,他们基于对发现于我国辽西恐龙化石上保存的多种羽毛形态的分析,在世界上首次揭示了早期羽毛的发育现象,提出完全依据现代羽毛发育资料建立的羽毛演化模型需要修订。这一研究成果公布在Nature杂志上。

文章的通讯作者是中科院古脊椎动物与古人类研究所徐星研究员和山东天宇自然博物馆郑晓廷馆长,另外一位研究人员是来自科院地质研究所的尤海鲁研究员。徐星于1992年毕业于北京大学地质学系,现为中科院古脊椎动物与古人类研究所副研究员。

羽毛的起源和演化是进化生物学研究的一个难点问题。近年来在我国中生代中晚期形成的地层中发现的带羽毛恐龙化石为研究羽毛的起源和早期演化研究提供了大量信息,相关研究在世界上产生了广泛关注。然而,有关早期羽毛发育的信息却非常匮乏,迄今为止没有发表任何重要成果。地处山东平邑县的山东天宇自然博物馆收藏了世界上数量最多的带羽毛恐龙化石标本。这一研究的领导者之一,该馆馆长郑晓廷介绍说,保存于天宇自然博物馆的大量化石标本显示了早期羽毛的形态变异度是非常大的,这些多变的羽毛形态为我们理解羽毛起源和早期演化提供了重要的信息。

研究人员观察和分析了保存于不同种类的恐龙和早期鸟类化石标本上的羽毛形态,他们发现过去依据现代羽毛发育资料建立的羽毛演化模型不能完全解释发现于恐龙和早期鸟类化石上的复杂多样的羽毛形态,其中一些羽毛形态和现代羽毛存在明显差别。

研究者重点研究了收藏于山东天宇自然博物馆的3件恐龙化石标本和1件收藏于古脊椎所的恐龙标本,他们发现了一些非常有趣的现象。在两件被鉴定为似尾羽龙的标本上,保存了非常精美的羽毛印痕。这两件标本代表同一物种的两个不同个体发育阶段:小个体标本代表幼年阶段的早期;大个体标本代表幼年阶段的晚期。尽管都属于似尾羽龙,这两件标本上的羽毛却明显不同:小个体标本上的飞羽和尾羽都属于一种近端带状正羽,只有初级飞羽,尾羽明显大于飞羽;大个体标本上的飞羽和尾羽都呈现典型的正羽形态,飞羽除了初级飞羽,还有次级飞羽,尾羽和飞羽大小差别也不明显。这些差异有些见于现代鸟类羽毛发育过程中,但另外一些则是独特的,显示似尾羽龙的羽毛个体发育过程与现代鸟类羽毛有所不同。因为主流的羽毛演化模型假设早期羽毛和现代羽毛的发育机制和过程是完全一致的,所以似尾羽龙的这一现象的发现对于研究羽毛的起源和早期演化具有非常重要的意义。

从现代羽毛的发育来看,Bmp,Noggin 和Shh基因的协同作用在羽毛的羽轴和羽枝形成过程中起着关键作用,调节控制羽枝形成和羽枝间细胞死亡的基因表达能够形成不同的羽毛形态。比如,抑制Shh基因的表达能够抑制羽枝的形成,在羽轴两侧会形成膜状羽片。徐星等人推测,近端带状正羽的形成可能也是由Shh基因低浓度表达或者控制羽枝形成和羽枝间细胞死亡基因的不完全表达导致的。这种控制羽枝形成和羽枝间细胞死亡基因的有限表达方式可能广泛存在于原始羽毛当中。徐星等在2009年发表于《美国科学院院刊》的一篇论文中,报道了一种加长的宽丝状羽,推测这种羽毛可能没有经历羽枝嵴的分化阶段,直接由中空的丝状结构发育而成,可能代表一种不同于现代羽毛的发育模式。在发表于《自然》的这篇论文中,他们指出这种加长的宽丝状羽在许多相对原始的恐龙当中都有发现,确实代表一种原始羽毛形态,这种形态很可能和近端带状正羽具有较为相似的基因表达模式。

一般而言,控制生物结构的发育机制是非常保守的,因此,对某些重要结构的演化复原常常依据现生生物的发育规律。徐星等有关早期羽毛发育过程的研究却显示了羽毛在演化早期阶段发育更具灵活性,发育机制更具多样性,因此,对于早期羽毛的演化理解不能完全依赖现代羽毛资料。研究者提出,羽毛在早期演化阶段产生的一些形态没有延续到现代鸟类,这些形态和控制这些形态形成的发育机制都在羽毛演化过程中消失了。

该研究成果是这一研究小组针对收藏于山东天宇自然博物馆中大量极其重要的带羽毛恐龙化石标本的系列成果之一。研究者表示将会继续这一方向的研究,结合古生物学和现代发育学资料,进一步推动羽毛起源和早期演化这一重要方向的研究。

原文检索:

Exceptional dinosaur fossils show ontogenetic development of early feathers

Recent discoveries of feathered dinosaur specimens have greatly improved our understanding of the origin and early evolution of feathers, but little information is available on the ontogenetic development of early feathers1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Here we describe an early-juvenile specimen and a late-juvenile specimen, both referable to the oviraptorosaur Similicaudipteryx8, recovered from the Lower Cretaceous Yixian Formation of western Liaoning, China9. The two specimens have strikingly different remiges and rectrices, suggesting that a radical morphological change occurred during feather development, as is the case for modern feathers10. However, both the remiges and the rectrices are proximally ribbon-like in the younger specimen but fully pennaceous in the older specimen, a pattern not known in any modern bird10. In combination with the wide distribution of proximally ribbon-like pennaceous feathers and elongate broad filamentous feathers among extinct theropods, this find suggests that early feathers were developmentally more diverse than modern ones and that some developmental features, and the resultant morphotypes, have been lost in feather evolution.

作者简介:

  徐星,博士。1969年出生于新疆;1992年毕业于北京大学地质学系;现为中科院古脊椎动物与古人类研究所副研究员。

  1992年以来,在中国北方大部(包括新疆通古尔特班沙漠、河南及湖北恐龙蛋化石产地)、南方部分地区(包括贵州兴义贵州龙化石产地)以及蒙古人民共和国进行多次野外勘查和发掘工作,发现和采集到大量重要脊椎动物化石标本。野外和室内研究工作主要涉及中生代恐龙化石及地层学的研究,已发现和命名15个恐龙新属种。

  1997年以来,单独或合著在英国、美国、德国、加拿大等国著名学术刊物及国内核心刊物上发表近40篇学术论文(19篇SCI收录论文,其中10篇发表于英国《Nature》)。申请者的成果1999年和2000年连续两年被评为中国基础科学研究10大新闻。2001年度国家杰出青年基金获得者;2001年,申请者入选美国国家地理学会“丰田计划”,成为全球11位入选科学家之一,也是亚洲的唯一代表。申请者还发表了4部科普书(其中一部获《中华读书报》评选的2001年度十大科普好书)、30余篇科普文章。

  申请者在恐龙研究领域的贡献引起了国际古生物学界的高度评价和世界各地媒体的广泛注意,申请者应邀为《自然》等世界知名学术刊物评审论文,其成果为包括英国BBC、美国Discovery频道、“Science”、《国家地理杂志》、《纽约时报》和我国的中央电视台等多家媒体报道。

编辑:李娜

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