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恐龍如何變會飛鳥類? 中美學者揭角蛋白基因突變影響

2019/1/29 — 14:11

團隊所用的近鳥龍屬樣本
Credit: Pan, Y.H. & et al. (2019).

團隊所用的近鳥龍屬樣本
Credit: Pan, Y.H. & et al. (2019).

近年,越來越多證據顯示,恐龍也有羽毛用以保暖、作為保護色更可求偶。然而,無人知道有羽毛的恐龍,何時與如何逐步演變成現代鳥類祖先。最新刊於《美國國家科學院院刊 (PNAS)》的研究顯示,組成羽毛的主要蛋白質角蛋白 (Keratin) 基因可能曾出現突變,使羽毛更輕更靈活,令陸生恐龍可飛行並最後演化成鳥類。

在所有現代有脊椎動物中,角蛋白是喙、指甲、鱗片、羽毛等的主要成份。 在人類和其他哺乳動物中, α-角蛋白會形成 10 納米闊的細絲再組合成頭髮、皮膚和指甲;而在鱷魚,烏龜,蜥蜴和鳥類身上,β-角蛋白形成甚至更幼更硬的細絲,組成爪、喙和羽毛。

由中國科學院古生物學家泮燕红領導的團隊,過去十年,利用數十種現代鳥類、鱷魚、海龜和其他爬行動物完整基因組,分析這些動物的 β-角蛋白如何隨時間變化,再製作出相應的系譜 (family tree) 。團隊發現,現代鳥類在演化過程中,已失去了大部分 α-角蛋白,羽毛中的 β-角蛋白卻變得更為靈活,與此同時鳥類大幅減少了甘氨酸 (glycine) 和酪氨酸 (tyrosine) 這兩種氨基酸,令爪與喙更為堅硬,而這兩種分子變化相信,也是令早期鳥類可以飛行所需的演化因素。

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泮燕红的團隊在是次研究中,則直接分析 5 個來自中國與蒙古、有 1.6 億至 7,500 萬年歷史的化石樣本這兩種角蛋白碎片。團隊設計了螢光抗體,可與角蛋白結合,並在結合後發光標示其位置。

在其中一個有 1.6 億年歷史的近鳥龍屬 (Anchiornis) 樣本(圖上),團隊發現這種烏鴉大小的恐龍已有類似現代鳥類的 β-角蛋白,但結構較短。不過,這種比始祖鳥 (Archaeopteryx) 早一千萬年出現的恐龍卻有較多 α-角蛋白,而大部份都沒有在現代鳥類羽毛中出現。再加上電子顯微鏡分析樣本與現代鳥類羽毛結構差異,團隊認為近鳥龍屬的羽毛並不適合飛行,其羽毛只屬於飛行過渡期間的產物。

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至於有 1.3 億年歷史的鳥面龍 (Shuvuuia) 羽毛則顯示,這種並非現代鳥類祖先的小型恐龍與現代鳥類一樣缺乏 α-角蛋白,但不似近鳥龍屬,鳥面龍的 β-角蛋白較硬且長。有參與研究的北卡羅萊納州立大學古生物學家 Mary Schweitzer 指,團隊正在拆解羽毛演化模式的謎團,而研究顯示,透過大部份 α-角蛋白,以及結構較短較靈活的β-角蛋白都消失的基因突變,物動才可演化出能飛行的羽毛。

演化生物學家 Matthew Greenwold 曾協助製造團隊所用的 β-角蛋白系譜,他指出部份恐龍的 β-角蛋白基因曾在體內多次被複製,隨著演化過程,部份額外 β-角蛋白基因演變成可讓後來物種飛行的版本;雖然這些當年無法讓如始祖鳥飛行,但卻令鷹、烏鴉等現代鳥類翱翔天際。

來源:
Science, Fossil feathers reveal how dinosaurs took flight, 28 January 2019

報告:
Pan, Y.H., Zheng, W.X., Sawyer, R.H., Pennington, M.W. & et al. (2019). The molecular evolution of feathers with direct evidence from fossils. PNAS Jan 2019, 201815703. DOI: 10.1073/pnas.1815703116

文/Alan Chiu 、審核/Edward Ho

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