今年9月，第三届“科学探索奖”获奖名单正式揭晓，科学探索奖的颁奖典礼也即将于10月30日在北京举行。中国科学院古脊椎动物与古人类研究所的王敏研究员成为了本年度50位获奖人中的一员。一直以来，王敏致力于研究鸟类的起源和早期演化，先后命名了超过30个属种的原始鸟类，约占全世界目前已知中生代鸟类属种的1/3。在他的众多研究成果中，有一类恐龙显得格外“奇葩”，还登上了2019年《自然》杂志的封面。
撰文 " 二七
审校 | 王敏
对于许多古生物爱好者来说， “鸟类是恐龙的后代”可能已经不是什么新知识了。尤其是当我们纵观整个中生代，长出羽毛、飞向蓝天似乎是恐龙的 “主线任务”之一。然而实际上，恐龙从称霸陆地到飞向天空的过程要错综复杂得多，比如曾经就有一类恐龙，做出过与鸟类不同的飞天尝试，它们就是“擅攀鸟龙类”恐龙。
突然出现的“奇怪”恐龙
在大约1.6亿年前的侏罗纪中晚期，生活着一群奇怪的恐龙，它们体型不大，但四肢修长，尤其拥有格外长的手指，似乎具有很强的攀爬能力，因此得名“擅攀鸟龙类”。这类“奇形怪状”的恐龙一出现就吸引了古生物学家的注意，然而由于发现的化石数量有限，保存状况还很差，研究者很难确定它们与其他恐龙类群的亲缘关系。
2015年，《自然》发表了一种新的擅攀鸟龙类恐龙——奇翼龙（Yi qi），这个名字来源于它“奇”特的身体构造，和化石中保存的“翼”膜结构。但它并不属于翼龙，而是一种恐龙——从分类学上来说，翼龙属于翼龙目，它并不是恐龙（蜥臀目和鸟臀目）的一种，而更像是恐龙的“姐妹”。在我们的普遍认知里，翼龙与恐龙的最大区别就是是否拥有膜质翅膀，不过奇翼龙却打破了这一界限。奇翼龙的前肢末端长有三根手指，其中第三指极度伸长。从它的腕部还伸出了一根棒状长骨，当手指和棒状骨张开的时候，就能撑起翼膜形成翅膀。
奇翼龙的出现并没能解答关于擅攀鸟龙类演化位置的疑问，反而使得整个故事更加扑朔迷离。因为在其它恐龙中，从来没有发现过这样的膜质翅膀，也没有找到与这根棒状长骨有关系的骨骼。虽然脊椎动物的骨骼变化多种多样，但也很少见到某个类群“突然”长出了这么长的一根骨头。加上奇翼龙化石的保存状况并不完好，因此在奇翼龙发现后，很多学者对奇翼龙是否真的长有膜质翅膀和棒状长骨持怀疑态度。
滑翔的“蝙蝠侠”
结束了这一争议的，是4年后发表的长臂混元龙化石。这条龙发现于燕辽生物群晚侏罗世的地层，体长约32厘米，只有鸽子那么大。它最明显的特征就是同样具有膜质翅膀和棒状长骨，直接验证了奇翼龙中的发现。除此之外，长臂混元龙还具有类似原始鸟类的尾综骨，这让它的身体重心前移，能在飞行时保持稳定。虽然由于胸骨还不够发达，难以为扇动翅膀提供足够的肌肉力量，但研究者推测，这种恐龙已经可以熟练地在空中滑翔了。这篇文章于2019年以封面文章的形式发表于《自然》，第一作者就是中国科学院古脊椎动物与古人类研究所的王敏研究员。
“这个标本还是当地一个老乡意外发现的，当时暴露出来的只有部分的后肢和头骨。”王敏描述道，“当时老乡联系我们的时候，只以为会是一只带羽毛的恐龙，没什么特别的。后来越修越不一样，尤其是棒状长骨修理出来的时候，大家就觉得特别特别惊喜。”
长臂混元龙化石（左）及线描图（右），右图中棕色区域为羽毛，深灰色区域为膜质翅，蓝色区域为可能的胃容物，se为棒状长骨（图片来源：Wang， M。， O’Connor， J.K。， Xu， X。 et al。， 2015）
随着长臂混元龙的发现，擅攀鸟龙类在恐龙家谱上的位置也越来越清晰。“这具长臂混元龙的骨骼化石保存得非常完整，前肢、后肢都保存了下来，所以我们就对这些和鸟类关系比较近的副鸟类恐龙进行了一个系统发育分析。”王敏说。起初，由于擅攀鸟龙类具有明显利于飞行的特征，部分学者怀疑它们可能是鸟类的直接祖先，或者和鸟类有非常近的亲缘关系。然而研究结果显示，擅攀鸟龙类更像是恐龙在飞天过程中“走岔了”的一支。
“如果从一个大的时间框架来看，恐龙向鸟类的演化过程中伴随着飞行能力的演化：整个演化的主线，都是前肢加长、尾椎骨缩短成尾综骨、身体重心前移——可以说一切都是为了飞行。”王敏指出，对于擅攀鸟龙类来说，也展现出了类似的趋势——它们的前肢特别地长：“在和鸟类关系相近的这些恐龙中，它们的前肢几乎都是最长的……这是一个很明显的趋势，是一种适应飞行的需要。”
然而擅攀鸟龙类与鸟类的身体结构有着关键的区别。虽然前肢都有伸长的趋势，但擅攀鸟龙类通过肱骨、尺挠骨和指骨来伸长前肢，对应的是我们的手臂和手指；而与鸟类亲缘关系更近的类群，前肢的伸长源自掌骨的加长，因为它们的“手掌”需要附着大量飞羽。擅攀鸟龙类的“膜质翅膀和短掌骨”和鸟类的“羽毛翅膀和长掌骨”，体现出了明显不同的飞行模式和演化路径。
遗憾的是，这支“特立独行”的恐龙并没能幸存下来。目前，仅在中、晚侏罗世的地层中发现了擅攀鸟龙类的化石，研究者怀疑它们可能在白垩纪之前就灭绝了。对于它们存在时间为何如此短暂，王敏和研究团队也有过一些猜想：“与它（擅攀鸟龙类）同时代的另一类具有膜质翅膀的动物就是翼龙，那会翼龙的飞行能力已经很强了，分布也很广泛。而且那时也发现了一些具有滑翔能力的哺乳动物，还有一些和鸟类关系非常近的副鸟类恐龙，它们前肢也长出了翅膀。所以擅攀鸟龙类面临的竞争是比较多样的。毕竟它们个体那么小，要面对以上三者的竞争，很可能竞争优势没有那么强。”
什么是鸟类？
虽然擅攀鸟龙类的“上天计划”失败了，但我们都知道，另一支恐龙演化成了鸟类翱翔于天空，成了多样性最为丰富的脊椎动物之一。王敏的工作，就是专注于近1.5亿年的漫长历史中，这些鸟类从恐龙演化而来的过程。虽然核心工作是中生代鸟类演化，但王敏格外希望能做一些理论方法上的新尝试，更好地利用化石透露给我们的信息，来分析鸟类的演化模式。
想要理清鸟类错综复杂的演化路径并不容易，尤其对于古生物学家来说，历史的真相都被埋进了地层中，他们的工作更像是“管中窥豹”——从仅存的化石中挖掘出演化的蛛丝马迹。这不仅需要细致严谨的室内外工作，更需要做出假设和判断的胆识，和探索未知世界的勇气——这样的精神正是“科学探索奖”所关注的。王敏希望能更多地挖掘和利用化石提供的信息，“其实化石给我们的信息是非常丰富的，但他会显得多而繁，容易让我们淹没在这些信息当中。所以我希望把这些数据提炼出来，看看能不能有一些更清晰直观的方式，帮助我们理解鸟类演化的动态路径。”
对王敏来说，研究的终极目标是回答一个看似简单的问题——什么是鸟类：“这个问题是我自己在想，别人也会经常问，‘你做工作这么久，这么简单的问题都还没有答案吗？’我就会说确实没有。”越是简单的问题，越难以回答。“科学探索奖”想要做的，就是支持这些“探索期”的年轻科学家，做其他人做不出、不敢做的研究。王敏希望未来能总结出一句话，非常简洁地告诉大家鸟类的解释和定义，“很难找到一个明显特征是只属于鸟类而不属于其他动物的。比如我们之前对鸟类的一些介绍是长有翅膀、主动飞行，但我们发现这些特征恐龙也有了。恐龙和鸟类之间的界限变得非常模糊了，所以我一直在思考怎么把这个东西通过比较简洁的话告诉大家。”
王敏研究员
今年，探索鸟类演化之路的王敏成为了第三届“科学探索奖”天文和地学领域的获奖人。相比其他关注已有研究成果的奖项，“科学探索奖”更像是一个颁给未来、为可能性买单的奖项。在今年长长的获奖者名单上，有新一代EXO中微子实验的中国区负责人，有国内冷原子研究的带头者，有人研制出了超导量子计算原型机“祖冲之号”，有人开辟了“胰岛再生”的崭新可能性。他们的研究领域从地球历史到未来能源，从细胞结构到广袤宇宙，但共同点是，他们都是面对未知领域的挑战者。在本月的30日，这50位青年科技工作者将齐聚北京的第三届“科学探索奖”颁奖盛典，欢迎点击下方链接预约直播，共同探索科学的未来。
论文链接：
https：//www.nature.com/articles/nature14423#citeas
https：//www.nature.com/articles/s41586-019-1137-z/figures/3
本文转自环球科学
