为什么鸟类的飞行方式不同?南加州大学的一项新研究调查了羽毛的进化

物以类聚,人以群分,但人以群分,人以群分。

南加州大学的科学家领导的一个国际团队进行了一项新的研究,旨在了解羽毛是如何发展并帮助鸟类在世界各地传播的。尤其是飞行羽毛,是推进力和适应性的杰作,帮助企鹅游泳,老鹰翱翔,蜂鸟盘旋。

尽管如此的多样性,feather有一个共同的核心设计:一个具有特殊性能的可选项裁减的统一风格的模型。这种在自然界中发现的简单性和灵活性,为寻找更好方法来制造无人机、风力涡轮机、医疗植入物和其他先进材料的工程师带来了希望。

这些发现发表在今天的《细胞》杂志上,通过对羽毛的物理结构、细胞组成和进化的对比分析,深入研究了羽毛的形态和功能。这项研究比较了来自世界各地的21种鸟类的羽毛。

“我们一直想知道鸟会飞在很多不同的方面,我们发现飞行方式的差异主要是由于他们的飞羽的特点,“说程明Chuong,这项研究的首席作者和病理学系的发育生物学家南加州大学凯克医学院的。“我们想了解飞行羽毛是如何形成的,这样我们就能更好地了解自然,并了解生物建筑原理如何有益于现代技术。”

南加州大学的研究人员调查了飞行羽毛

为了全面了解飞羽,Chuong与台湾中国医科大学整合干细胞中心的生物物理学家Wen Tau Juan组成了一个多学科的国际团队。这项工作涉及干细胞、分子生物学、解剖学、物理学、生物成像、工程学、材料科学、生物信息学和动物科学等领域的专家。研究的鸟类包括鸵鸟、麻雀、鹰、鸡、鸭、燕子、猫头鹰、企鹅、孔雀、苍鹭和蜂鸟等。

他们使用化石、干细胞和飞行性能特征来比较羽毛。他们把注意力集中在羽毛轴上,羽毛轴支撑羽毛,就像桅杆支撑船帆一样,承受着风和翅膀之间的压力。他们还把注意力集中在叶片上,横向的树枝横跨在轴上,形成羽毛的形状来拍打空气。他们还研究了进化是如何形成羽刺、脊和钩的,这些羽刺、脊和钩帮助羽毛保持形状,并与相邻的羽毛(比如维可牢尼龙搭扣)一起形成翅膀。目的是了解一个简单的长丝附肢在恐龙身上是如何转变成具有不同功能的三级分枝结构的。

我们想了解飞行羽毛是如何形成的,这样我们就能更好地了解自然,并了解生物建筑原理如何有益于现代技术。

程明Chuong

对于以不同方式飞行的鸟类,如鸭子、鹰和麻雀,科学家们注意到羽毛轴与紧抱地面的鸟类有显著差异。在坚硬的外部,轴皮层更薄、更轻,而内部则充满了多孔的细胞,类似于气泡膜,排列成不同方向的条带,并通过像微小的横向梁一样运作的脊来加强。合在一起,它形成了一个轻,空心和浮力结构,使飞行。不同鸟类羽毛轴的横截面显示出高度特化的内核和外皮层的形状和方向。

“飞行羽毛由两个高度可适应的建筑模块组成,轻而坚固的材料可以发展成高度可适应的配置,”Chuong说。

研究人员发现了指导羽毛生长的两种不同的分子机制。皮质厚度由骨形态发生蛋白控制,骨形态发生蛋白是组织生长的分子信号。多孔的羽毛内部,或髓质,依赖于一种不同的机制,称为转化生长因子(TGF-b)。这两种成分都来源于鸟类皮肤中的干细胞。

相比之下,不会飞的鸟类的羽毛更简单,由稠密的皮层组成,外层更坚硬,内部的支柱和细胞更少。这种特征在企鹅身上尤为明显,它们在水下用翅膀当桨。

羽毛研究揭示了它们是如何随时间进化的

作为研究的一部分,研究人员观察了在缅甸琥珀中发现的1亿年前的羽毛。这些化石表明,早期的羽毛缺乏现代鸟类的一个关键特征。具体来说,研究人员报告说,化石羽毛有倒刺状的树枝和小枝,它们通过重叠形成一个羽毛叶片,但没有钩。钩状物的作用类似于钩环,可以把蓬松的羽毛变成一架紧凑的平面飞机,用于高性能飞行。科学家们还发现另一种生长因子WNT2B是控制小钩形成的因子。这些细胞也来源于表皮干细胞。

综上所述,这些发现表明了有羽毛的恐龙和早期鸟类是如何通过重叠的羽状板来形成一个原始的叶片的,尽管在空气动力学上并不适合承载太多的负荷。随着更复杂的复合特征出现在机翼上,它变得更重,所以羽毛轴变得更强,但也更轻,这导致了更硬的羽毛和坚固的翅膀,为携带鸟类环游世界提供了动力。

研究称:“我们的发现表明,羽毛轴和叶片的进化趋势是平衡的,以保证鸟类个体的最佳飞行性能,并成为物种形成的选择性基础的一部分。”“我们在这里研究的功能性建筑的原理也可能激发仿生设计,并为不同规模的建筑制造未来的复合材料,包括风力涡轮机、人工组织、无人机。”


由美国南加州大学凯克医学院的兰德尔·b·威德里茨、王朔、迈克尔·哈比布、姜定新、罗忠来和吴平共同领导的31人团队;台湾中华医科大学附属医院张维玲、吴浩、赖永智、雷明兴、洪世杰;台湾中华医科大学史明友、徐瑞婷、黄恒利、陈宜文;国立中兴大学陈志峰、唐平智、胡辰成、林燕成;台湾中央研究院物理研究所顾浩仁、赵玉昆、林子瑜、杨顺民、李宗泽、蔡建中、胡耀光;台湾特有种研究所姚成德;国立成功大学的Shieh – jou Shieh,台湾;德克萨斯大学阿灵顿分校的李昂说。

USC的工作由美国国立卫生研究院(AR 047364, AR 060306)支持,而在台湾的团队成员由他们自己的研究院和台湾政府的拨款支持。

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