中外科学家合作发现早期鸟类和带毛恐龙中的两种黑色素体

　　近日，新近出版的英国《自然》杂志以《黑色素体化石及白垩纪恐龙与鸟类的颜色》为题，介绍了在我国热河生物群的鸟类和带毛的恐龙中发现的两种黑色素体。这一成果为推断早期鸟类和恐龙可能具有“色彩斑斓”的外观提供了合理的证据，是古鸟类和恐龙研究取得的又一项重要进展，同时也为科学复原古生物的颜色、羽毛起源、鸟类起源及鸟类与恐龙的系统关系的研究提供了新的证据。

　　色素与羽毛

　　科学证实，在所有的脊椎动物中，鸟类的羽毛是最复杂的皮肤衍生物，其他种类，如爬行类的鳞片、哺乳动物的毛发等，都比羽毛简单得多。也正因为这种复杂性，鸟类的羽毛具有脊椎动物中最复杂、斑斓的色彩和光泽，其色彩之丰富几乎可穷尽人类用于描绘颜色的所有华丽词汇。

　　那么，羽毛的颜色究竟是怎样产生的呢？

　　以往的研究表明，羽毛的颜色与光泽，由色素色和结构色两种因素共同形成。

　　色素色主要来自黑色素和脂色素，这两大类色素中，各种颜色及其不同比例的组合，就构成了复杂斑斓的视觉感受。黑色素包括真黑色素和褐黑色素两种类型，前者主要为棒状结构，主要产生灰色和黑色等，后者主要为扁球状结构，主要产生褐色、红色及黄色等。脂色素主要包括胡萝卜素和卟啉两类，可分别产生红、橙、黄、紫，及红、绿、褐等色。与黑色素不同，脂色素不是来源于特殊的色素细胞，而是直接来源于食物，溶于脂肪内的脂色素随着体液运动到羽毛的基部，当羽毛生长、角化时，因脂溶剂的消失而沉积于羽毛内。

　　结构色是借羽毛上皮表面的物理结构、复杂的凹凸沟纹、羽小枝内的微小颗粒、气腔和液泡等对光线所起的折射和干涉作用而产生的色彩变幻，造成鸟类羽毛具金属光泽以及可随不同视角而变化的辉亮色泽。

　　结构色和色素色常同时起作用，呈现出更加复杂的色彩，可能正是由于这两种因素的共同作用，才使羽毛能展现出不是“赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫”这些简单词汇所能描绘出的梦幻色彩。

　　新证据浮出水面

　　地球上拥有各种无脊椎动物、脊椎动物和植物等的化石。人们常常不禁会问，几百万年、几千万年甚至数亿年前的大自然也同样拥有一个色彩斑斓的生命世界吗？

　　科学家认为，这可能是事实，但由于长期缺乏科学根据，以往的这种推断与猜想不能得到印证。科学家和艺术家所描绘的各种精美的古动物彩色复原图也仅是建立在“将今论古”的推测中。

　　近两年，国际上对古生物色彩的研究取得了一些重要进展。2008年，耶鲁大学一支由古生物学家和鸟类学家组成的研究团队，首次在巴西早白垩世的化石羽毛中发现了包含真黑色素的黑色素体。他们研究发现，化石中实际上保存了许多含有黑色素的结构。例如，鸟类的眼睛、鱼类的眼睛，哺乳动物的毛发等。

　　2009年，该团队又研究了德国始新世的鸟类的羽毛，再次发现了真黑色素体，进一步证实羽毛的颜色信息可以保存在化石中。

　　此次，《自然》杂志报道的古鸟类和恐龙皮肤衍生物中存在的黑色素体，首次证明生活在1.25亿年前的一些古鸟类和带毛的恐龙均具有“色彩斑斓”的基础。科学家们在这些化石中发现了两种黑色素体，一种为真黑色素，另一种为褐黑色素。其中，褐黑色素是首次在化石中发现。

　　这两种物质均在现生鸟类的羽毛中存在。通过和现代鸟类的对比，研究者们推测，这些带毛的恐龙和古鸟类的身体已经具有以灰色、褐色、黄色及红色为主要色彩的基础。

　　在这些证据面前，人们有理由这样问，假设上述色彩可能产生不同比例的组合，那么1.25亿年前的鸟类和恐龙是否如同今天的鸟类一样五颜六色、姹紫嫣红？

　　研究手段的推进

　　此次色素的发现，不仅将人们对颜色的推测与判断向前推进了一步，同时也为长期争议的“毛”的性质提供了有力的佐证。

　　对生活在1.3亿～1.2亿年前的热河生物群的各类古生物的研究是当前国际古生物界的热点之一。其中，对恐龙和古鸟类的研究更是集各关键和难点问题于一体，争论颇多。这主要涉及到鸟类的起源、鸟类与恐龙的系统关系、羽毛的起源及飞行的起源等问题。其中，有关一些带毛恐龙的“毛”状结构究竟是皮肤外的皮肤衍生物还是皮肤内的纤维组织的争论尤为关键。

　　近年来发现于中国的带毛恐龙是鸟类起源于兽脚类恐龙学说复兴的最重要证据之一。但是，伴随着带毛恐龙的发现，对这些“毛”的性质也质疑不断。有些人认为，一些细丝状的结构并不属于恐龙皮肤外的结构，而是皮肤内的纤维；如果这个结论成立，这将在根本上否定鸟类的羽毛与恐龙的丝状“毛”状物的同源关系，也将成为动摇“鸟类起源于兽脚类恐龙”这一学说的一个重要基石。

　　本研究首次在亚细胞水平上证明了恐龙的丝状“毛”属于皮肤衍生物，而不是皮肤内的纤维，在这些带毛的恐龙的“毛”中找到了与鸟类羽毛类似的黑色素体，便是一个强有力的证据，因为黑色素体并不存在于皮肤内部的纤维结构内。

　　此外，此研究在方法与手段上也比以往有所推进。在以往的早期羽毛等皮肤衍生物的工作中，主要凭借肉眼和光学显微镜等手段进行细胞、组织水平以上的形态学研究。而本项研究主要是通过电子显微镜和能谱等技术，开创了研究1.25亿多年前细胞内结构——黑色素体的先河，为今后从微米水平上进行类似的细胞、亚细胞结构的古生物研究奠定了基础，并为从微观水平上研究当时的古环境和埋藏学提供了新的手段，促进了古生物学与现代生物学的交叉与融合，以形成新的学科增长点。

　　本研究由中国、英国和爱尔兰等三国科学家共同完成，其中中国学者均来自中科院古脊椎动物与古人类研究所，他们是张福成、周忠和、徐星和汪筱林。该项研究得到了尊龙凯时委、科技部、中国科学院和英国自然环境研究委员会及皇家协会的资助。