羽毛是鳥類征服天空的工具，其功能演化從早期單根細絲狀羽毛的保溫、隔熱、通訊交流、保護色及防水等，逐漸演化為飛羽的空氣動力學功能。現代鳥類飛羽具有高效空氣動力功能的主要原因在于精密構造——其遠端羽小枝腹側的羽小鉤嵌入隔壁羽枝上近端羽小枝背側的凹槽，形成類似拉鏈的互鎖結構，稱為鉤槽聯鎖機制；近端羽小枝末端具有結節，防止羽小鉤在受外力時在羽小枝上滑動，稱為級聯滑鎖系統。通過鉤槽聯鎖機制與級聯滑鎖系統雙重機制緊密結合，使飛行羽毛兼具超強抗撕裂能力與自修復功能。
近年來，在我國遼寧西部、河北北部及內蒙古東南部中生代地層發現的一系列帶羽毛恐龍化石為羽毛的宏觀演化研究提供了證據。但是，由于羽毛的羽小枝等細微結構通常在成巖時被破壞，這些在頁巖中保存的化石僅能保存羽毛的宏觀形態。因此，鳥類飛羽的鉤槽聯鎖機制與級聯滑鎖系統的演化機制一直缺乏直接證據。
針對上述問題，中國科學院動物研究所研究員白明團隊聯合國家自然博物館、中國科學院南京地質古生物研究所、中國科學院古脊椎動物與古人類研究所、沈陽師范大學及首都師范大學等單位的科研人員，對距今約9900萬年前的5塊晚白堊世緬甸羽毛琥珀進行研究。該研究構建了針對羽毛琥珀微納結構原位暴露和三維形態獲取分析技術體系，并通過使用片溶法對羽毛化石表面進行局部處理，將羽小枝及其黑素體原位暴露，且利用激光共聚焦顯微鏡與高分辨率掃描電鏡分別獲得三維結構信息和羽小枝及其黑素體的微納尺度超微結構信息。同時，研究利用掃描電鏡的聚焦離子束技術對羽小枝進行原位切割，獲得了羽小枝橫截面的三維超微結構。
研究表明，中生代羽毛的羽小枝存在兩種新類型——類型I羽毛和類型II羽毛。其中，類型I羽毛具有近乎對稱的羽片，羽軸極細，羽枝基部寬度小于分生的羽小枝。這一類型的羽毛或屬于馳龍類、傷齒龍類等接近鳥類的非鳥恐龍。同時，其羽小枝基部的橫截面呈現獨特的“L”形彎曲，與現代鳥類的廓羽相似，但缺乏鉤槽結構。羽小枝中遠段保留絨羽典型的結節結構，證明了羽毛從絨羽向飛羽演化是通過“基部形態改造”與“末端功能強化”分階段創新實現。類型II羽毛具有符合現代飛羽標準的增厚的羽軸和不對稱羽片，這一類型的羽毛或屬于緬甸晚白堊世常見的反鳥類。其近端羽小枝背側首次發現明確凹槽，并與遠端羽小鉤形成互鎖機制。與現代鳥類不同，其近端羽小枝腹側呈“J”形彎曲，使相鄰羽小枝間存在空隙，空氣易從縫隙穿過，表明早期飛行羽毛的空氣動力學效率較低。進一步，該團隊在一件無羽軸游離羽枝標本的近端羽小枝末端背側發現結節，這是迄今最古老的羽毛級聯滑鎖系統實證。
基于上述發現，該團隊豐富了羽毛演化模型理論中第3-5階段。其中，階段IIIa+b代表羽軸極細、羽小枝具有結節，但基部“L”形化的過渡形態；階段IVa顯示羽軸增厚但無羽小鉤；階段IVb揭示羽軸增厚，出現羽小鉤；階段Va對應反鳥類空氣動力學效率較低的不完全優化飛羽；階段Vb指向今鳥類的現代高效飛羽。
同時，該團隊在觀察羽毛化石超微結構時，發現大量在羽小枝中呈原位保存的黑素體。研究團隊根據黑素體的三維排列分析黑素體大小及形狀，并利用布拉格定律推導模擬公式計算反射峰波長，揭示了這些羽毛可能的原始色彩——類型I羽毛因特殊黑素體層狀排列或呈現“黑色帶紅色光澤”；類型II羽毛或為單調的深灰色或“企鵝式純黑”；游離羽枝或為普通灰色。
這一研究填補了羽毛演化史的關鍵空白，為重建早期鳥類飛行能力的演化路徑提供了實證。
近期，相關研究成果以The Ultrastructure of the Cretaceous Feathers Highlights the Evolution of the Feather為題，發表在《科學通報》（Science Bulletin）上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部、中國科學院及北京市等的支持。
論文鏈接
研究的類型I羽毛化石（a-e）、類型II羽毛化石（f-j）、零散羽枝化石（k-o,p-q）和現代鳥的羽毛
本文鏈接：科學家利用創新形態技術填補羽毛演化空白http://m.sq15.cn/show-12-1121-0.html
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