鸟类如何学会飞行?科学家找到鸟类飞行的关键

布朗大学和哈佛大学的科学家们已经认识到,鸟类肩膀关节处有一个单独的韧带可以使鸟类的翅膀在飞行中保持稳定。在《自然》杂志的电子预览版上,他们对这块坚韧的组织如何进化为鸟类飞行的关键要素进行了解释。“动物是怎么从地面飞起来的?或者说上肢是如何进化为翅膀的?这是一个令人着魔的问题。”该研究小组的领头人,布朗大学生态和生物进化系博士后研究员大卫·拜尔说,“我们的研究发现,在鸟类的进化过程中,有一个单独的韧带在飞行方面发挥着越来越重要的作用。”拜尔和他的研究小组把精力集中于鸟类的肩关节,因为肌肉聚集的强大力量正是在肩关节处得以释放。为什么鸟类在飞行过程中其肩关节不会脱臼?或者说是什么使翅膀在飞行中保持稳定?拜尔和他的研究小组以一种独特的方式对此进行了广泛的研究,他们分别研究了活动物和恐龙化石,同时还研究了作用于肩关节的骨骼力量和与空气动力学有关的软组织之间的交互作用。

该研究小组的第一个研究对象是鸡子。为了更好地理解鸟类如何在飞行过程中稳定它们的翅膀,研究人员使用了计算机X射线轴向分层造影扫描技术来绘制三维“虚拟骨骼”图,同时还计算出保持流畅的飞行姿态所需要的力量。他们发现,能使鸽子的翅膀保持稳定的关键部位既不是肩胛骨也不是肌肉,而是喙肱状骨韧带。喙肱状骨韧带是一个连接鸟类肱部和肩部的短韧带组织,它可以平衡肩关节处释放出的所有力量——从鸟类胸部的胸大肌发出的拉力到鸟类翅膀下方产生的风推力,而后者正是现代鸟类飞行的关键所在。

为了查明远古动物的喙肱状骨韧带是否起着相同的肩部平衡作用,该研究小组还对短吻鳄进行了研究。短吻鳄是鸟类的近亲,它们都是古蜥类动物(或祖龙)的分支。2.5亿年前,地球上出现了古蜥类动物,它们曾经是地球上的“主要爬行动物”,后来逐渐进化成在中生代处于统治地位的恐龙。因此,要了解整个进化过程,短吻鳄是一个很重要的出发点。在哈佛大学生物学教授兼古脊椎动物博物馆馆长法里西·简金斯的实验室里,科学家们把三支短吻鳄放在机动化的踏车装置上并给它们拍摄了X光视频录像。拜尔和布朗大学进化生物学家史迪芬·盖特西利用这些视频录像制作出一部三维动画片,动画片准确显示出短吻鳄在行走时其肩膀的动态位置。他们发现短吻鳄用的是肌肉而不是韧带来完成艰苦的肩部支撑工作。接下来,拜尔从化石挡案找到有关始祖鸟的化石记录并研究了始祖鸟的骨骼,许多古生物学家认为始祖鸟是地球上出现的第一种鸟类。拜尔甚至还前往北京对孔子鸟、杨氏中国似鸟龙和千禧中国鸟龙的化石遗体进行了研究,这几种近期在中国发现的古代鸟龙是现代鸟类的近亲。
如果喙肱状骨韧带是鸟类产生飞行能力的关键所在,拜尔希望能在始祖鸟身上找到证据。然而,令人惊讶的是,似乎中生代飞行类动物的身上就已经逐渐进化出这种以韧带为基础的新的力量平衡系统。“这意味着,随着时间的推移,鸟类的飞行器官得到了改进,”拜尔说,“我们的研究工作暗示,当早期的鸟类飞行时,它们在保持肩部平衡方面与现代的鸟类有所不同,因此它们的飞行方式可能与现代鸟类不同。一些科学家认为它们以滑翔的方式从树上飞到地面或以振翼的方式飞离地面,我们在研究这种力量平衡系统时所用的方法可以帮助我们检测这些理论。”
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