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3亿年前羽毛β角蛋白的觉察使古生物色彩复原尤

金沙澳门官网官方网站首页,中美学者合作完成的一篇题为“早白垩世鸟类——始孔子鸟羽毛角蛋白与色素体的分子证据”的论文于北京时间11月22日在线刊登在《美国科学院院报》上。

北京时间11月22日,《美国科学院院报》(PNAS)在线刊登了一篇题为《早白垩世鸟类-始孔子鸟羽毛角蛋白与色素体的分子证据》的论文,报道了1.3亿年前羽毛β角蛋白的发现及其中色素体的确认,使古生物的色彩复原更加可信。相关研究成果由中国科学院南京地质古生物研究所博士泮燕红与中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员周忠和、山东临沂大学教授郑晓廷、美国北卡罗莱纳州立大学教授Mary Schweitzer等合作完成。

侏罗纪近鸟龙是迄今发现的最早的带羽毛的恐龙之一,过去对其功能形态学的分析指示其具有一定的飞行能力,但是由于缺乏直接的化石证据,因此对其飞行能力的推测一直存在争议。

中国科学院南京地质古生物研究所泮燕红博士与中国科学院古脊椎动物与古人类研究所周忠和院士、山东临沂大学郑晓廷教授、美国北卡罗莱纳州立大学施维策教授及其团队对收藏于山东天宇自然博物馆的一件始孔子鸟类化石标本的羽毛,进行了详细的超微结构分析和生化分析,首次从分子层面证实了β角蛋白和色素体在距今1.3亿年化石中的保存。

泮燕红等对收藏于山东天宇自然博物馆的一件始孔子鸟类化石标本的羽毛,进行了详细的超微结构分析和生化分析,首次从分子层面证实了β角蛋白和色素体在距今1.3亿年化石中的保存。研究的鸟类化石属于始孔子鸟,该鸟类最早命名于2008年,属于孔子鸟科,代表了早期鸟类演化中最基干的类群之一。始孔子鸟化石目前仅发现于我国河北省的丰宁地区,属于早白垩世,代表了中国境内已知最古老的鸟类化石之一。此外,由于这类鸟类牙齿已经完全退化,发育了角质喙,因此也代表了最早具有角质喙的鸟类。河北丰宁的鸟类化石不仅时代古老,仅次于世界上最古老的鸟类——始祖鸟,而且还以保存精美的羽毛而著称。

由中国科学院南京地质古生物研究所博士泮燕红等完成的题为《羽毛分子演化的化石直接证据》的研究成果,于近期在线刊登在《美国国家科学院院刊》(PNAS金沙澳门官网4066,)上,为探讨早期羽毛的演化提供了分子生物学证据。该研究显示,以近鸟龙为代表的带毛恐龙虽然可能具备了一定的飞行能力,但其羽毛的分子构成还不足以支撑与鸟类类似的飞行。

现生鸟类具有五彩缤纷的颜色和色彩,主要取决于羽毛具有的色素体以及羽毛内部的结构。羽毛的色素颗粒可随羽毛的形成进入到羽毛的不同部位,从而与羽毛的内部结构等因素一起决定羽毛不同的颜色。

研究者将采自该化石标本的8个羽毛样品在南京古生物所进行前处理,随后分别进行了扫描电镜和透射电镜观察,结合免疫荧光、免疫电镜等生化方法,以及超高分辨率的元素能谱分析。同时与现生鸡的羽毛在超微结构、生化反应、色素体元素能谱分析的结果等进行了逐一对比,证实了在化石羽毛中确实含有残留的β角蛋白。由于以往报道过β角蛋白的化石标本的时代都来自晚白垩世(不早于7500万年),因此此项工作把β角蛋白能够保存的时代往前推进了至少5000万年。

现代鸟类的飞羽主要由β-角蛋白构成,这一结构蛋白赋予其特殊的生物力学属性(如柔韧性、弹性和强度),从而能够适应飞行的需要。鸟类祖先的羽毛是否也具有同样的蛋白组成和结构呢?对这一问题的解答不仅可以揭示早期羽毛分子演化的过程,而且还能为研究带羽毛恐龙的飞行能力提供新的线索。

然而,以往对化石羽毛色素体的分析未能精准把色素的信号原位标定到色素体上。本文作者采用了多种化学和分子技术分析方法,其中免疫电镜和超高分辨率的元素能谱分析,都是第一次应用到化石分析中,实现了化学信号在纳米级别的原位标定。他们的研究结果不仅首次在距今1.3亿年化石中证实了β角蛋白的保存,而且也验证了羽毛化石中纳米级的微体结构被β角蛋白包裹,确实为羽毛的色素体。此项工作把β角蛋白能够保存的时代往前推进了至少5000万年,对今后更好地认识远古化石中的软组织结构、化石分子的保存以及羽毛超微结构的演化都具有重要的意义。

现生鸟类具有五彩缤纷的颜色,主要取决于羽毛具有的色素体以及羽毛内部的结构。而羽毛的色素种类也有多种,例如球状的棕黑色素、棒状的真黑色素等,两者大小约为1微米左右,它们均由黑色素细胞产生,黑色素颗粒可随羽毛的形成进入到羽毛的不同部位,从而与羽毛的内部结构等因素一起决定羽毛不同的颜色。

研究人员利用多种现代超微结构检测技术、原位元素分析和免疫学的方法,对产自我国侏罗纪地层(距今约1.6亿年前)的近鸟龙的羽毛化石开展了深入的研究和对比。鉴于β-角蛋白形成的构架纤维直径通常只有3纳米左右,而α-角蛋白构架纤维直径通常可达8-10纳米,他们采用高分辨率的扫描电镜和透射电镜分析,对多种化石羽毛的微细结构进行了观察和对比。此外,他们还进一步通过化学元素和免疫学分析(包括免疫荧光和免疫电镜)进行原位检测,用以区分不同类型的角蛋白。

(原载于《科技日报》 2016-11-22 01版)

科学界对化石鸟类和恐龙羽毛颜色的认识经历了颇为曲折的过程。早在上个世纪80、90年代古生物学家将鸟类化石羽毛中的色素体状的结构首先鉴定为细菌,认为细菌参与了羽毛化石的保存过程。2008年,美国耶鲁大学的Jakob Vinther等人首次提出过去鉴定的鸟类化石羽毛中的“细菌”实际上是羽毛的色素体。2010年我国学者张福成等人首次报道了带羽毛恐龙的羽毛中色素体的保存。近年来学术界开展了大量古鸟类、带羽毛恐龙等不同类群生物化石色素体的研究,为恢复灭绝生物羽毛等器官的颜色和色彩开辟了一个全新的领域。

研究结果显示,近鸟龙的飞羽主要由α-角蛋白构成,但同时还具有少量的β-角蛋白,不同于现代鸟类的羽毛构成。然而,我国中生代发现的鸟类如始孔子鸟、燕鸟以及一件新生代鸟类化石的羽毛,则主要由β-角蛋白构成,这一点已经与现代鸟类一致。这些结果表明,近鸟龙的羽毛在蛋白分子的构成上,代表了早期羽毛从不适于飞行向现生鸟类羽毛演化的过渡类型。

然而,以往对化石羽毛色素体的分析还主要局限于微观形态学的对比,以往化学分析手段也未能精准把色素的信号原位标定到色素体上。由于色素体本身无论在大小和形态学方面与细菌都十分相似,因此有学者指出,如何用化学方法准确区分色素体与微生物变得十分必要。基于这样的争议和问题,泮燕红等采用了多种化学和分子技术分析方法,其中免疫电镜和超高分辨率的元素能谱分析,都是第一次应用到化石分析中,实现了化学信号在纳米级别的原位标定。他们的研究结果不仅首次在距今1.3亿年化石中证实了β角蛋白的保存,而且也验证了羽毛化石中以往颇具争议的纳米级的微体结构被β角蛋白包裹,确实为羽毛的色素体,排除了细菌的可能性。此项研究对今后更好地认识远古化石中的软组织结构、化石分子的保存以及羽毛超微结构的演化都具有重要的意义。

该项研究也进一步彰显了整合形态学、发育学和分子生物学多学科数据和研究对探讨重大生物演化事件的重要性。一般认为构成生物体的有机大分子随着降解过程的发生,原本稳定的化学键被破坏从而不复存在。但随着近年来各种分析技术的发展,越来越多的大分子化石被发现。角蛋白比多数其他蛋白具有更好的埋藏潜力,主要是由于其特殊的分子结构。

此项研究得到了国家科技部、国家自然科学基金委和中科院等的支持。

该研究团队前期的研究曾证实特异保存的鸟类羽毛化石中确实残留有β-角蛋白,从而支持了化石鸟类和恐龙羽毛色素体的存在。

论文相关信息:

中科院古脊椎动物与古人类研究所研究员周忠和、临沂大学教授郑晓廷、美国北卡罗来纳州立大学教授Mary Schweitzer等参与了该项研究。相关研究工作得到中科院、国家自然科学基金委等的支持。

Yanhong Pan, Wenxia Zheng, Alison E. Moyer, Jingmai K. O’Connor, Min Wang, Xiaoting Zheng, Xiaoli Wang, Elena R. Schroeter, Zhonghe Zhou, and Mary H. Schweitzer. Molecular evidence of keratin and melanosomes in feathers of the Early Cretaceous bird Eoconfuciusornis. PNAS, Doi:10.1073/pnas.1617168113.

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近鸟龙前肢羽毛的超微结构

始孔子鸟标本

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中生代恐龙和鸟类系统树揭示羽毛分子结构的重要演化阶段

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用于本次研究的近鸟龙标本,取样位置用红色框标示

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