手盗龙类恐龙之手为何奇异？最新研究揭秘指爪演化之谜

　　典型镰刀龙类和阿尔瓦雷斯龙类恐龙的前肢骨骼示意图，以及本项研究方法流程图。 秦子川 供图
　　中新网北京3月3日电 (记者孙自法)手盗龙类恐龙是一类在中生代(距今2.51亿-6600万年)极为繁盛的兽脚类恐龙，它们中的一支于白垩纪末(约6600万前)的大灭绝事件中成功幸存，演化成当今的鸟类。手盗龙类恐龙奇异前爪即其分类命名因素的＂手＂，是如何演化而来？有何奇异之处？长期以来备受古生物学界关注和研究。
　　英国布里斯托大学、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所(中科院古脊椎所)合作完成一项有关手盗龙类恐龙奇异指爪的功能研究，从最新的形态功能学方法揭示手盗龙类恐龙奇异前爪的演化之谜，相关成果论文近日在施普林格·自然旗下国际专业学术期刊《通讯-生物学》(Communications Biology)发表。
　　有何奇异？
　　论文第一作者和共同通讯作者、英国布里斯托大学和中科院古脊椎所合作培养博士研究生秦子川通过网络接受中新社记者采访介绍说，手盗龙类这个分类单元原意为＂抓手者＂，然而越来越多的化石证据显示，有相当一部分手盗龙类恐龙的＂手＂，并不是用来抓握的。这其中最明显的例子就是由手盗龙类恐龙演化的鸟类，其祖先的＂手＂部骨骼逐渐特化愈合，形成了飞行工具——翅膀的一部分。
　　不过，手盗龙类当中的一些其他分支，包括阿尔瓦雷斯龙类和镰刀龙类，也有着显然区别于典型＂抓握型＂结构的手部形态。作为手盗龙类最基干位置两个亲缘关系较近的演化支，阿尔瓦雷斯龙类和镰刀龙类却有着差异巨大的体型和身体结构，尤其是在前肢形态演化上，可以算是手盗龙类家族当中的＂一对怪兄弟＂。
　　典型的晚期阿尔瓦雷斯龙类如临河爪龙，一般有着短而粗壮的前肢，每个手部仅保存一个硕大的第二指，手指末端有一个＂地质锤＂状的硕大指爪。而晚期的镰刀龙前肢结构更为特化，它们有着修长的前肢、细长的手指和＂镰刀＂状的指爪。
　　这两种特殊的前肢结构不仅在手盗龙类恐龙中罕见，在整个四足动物当中也寥寥无几。由于这种演化上的特殊性，导致传统通过与现生动物已知功能的前肢来对比这两类恐龙的形态特征也难以实现。
　　阿尔瓦雷斯龙类和镰刀龙类恐龙的手爪采样范围和功能模拟结果。 秦子川 供图
　　如何研究？
　　秦子川表示，进入新世纪以来，许多新兴的计算机、工程和物理学研究方法被引入到古脊椎动物学研究当中，但鉴于恐龙化石记录的不完整性和复杂性，很难开展大规模的相关研究。
　　在手盗龙类恐龙奇异指爪的功能研究中，中英合作团队开发出一种新的脊椎动物学功能-形态研究方法框架——功能空间分析方法。新方法摆脱过去对化石精度及分析单一的限制，以＂功能空间体＂概念来模拟生物结构在不同力学状态下的表现及差异。
　　本次研究将新开发的功能空间分析方法应用到镰刀龙类和阿尔瓦雷斯龙类前肢中最为特化的骨质结构——爪骨上面。其爪骨位于前肢的末端，在大部分前肢运动功能当中，都承担着相当大的应力，透过有限元分析可以很好地评估该结构在力学上的影响及表现。
　　秦子川说，此次研究构建的功能空间分析方法也受到期刊编辑和专业审稿人的高度肯定。他们认为，功能空间分析方法为人们理解灭绝动物的功能演化开辟了一个新视角，在未来的研究工作中也有望推广到牙齿、鳞片、角、翅膀等高功能性的生物结构当中，为人们更好地理解灭绝动物的功能演化做出贡献。
　　参考哺乳动物、非手盗龙类恐龙、阿尔瓦雷斯龙类和镰刀龙类恐龙手爪的功能空间分布状况。 秦子川 供图
　　为何奇异？
　　秦子川指出，此次研究对阿尔瓦雷斯龙类和镰刀龙类恐龙的前爪的穿刺、牵拉植物和挖掘功能进行模拟分析，并比对另外两种兽脚类恐龙冠龙和异特龙，使用已知功能的四种哺乳动物穿山甲、小食蚁兽、泛美地懒和美洲狮的前爪进行校正，以对它们的前爪功能进行综合且全面的比较研究。研究结果支持前人提出晚期阿尔瓦雷斯龙类可能具有前肢挖掘能力的猜测，不支持阿尔瓦雷斯龙类的短前肢是类似暴龙类的短前肢一样是退化器官的假说。
　　这次研究显示，发现于中国新疆中晚侏罗世(约1.6亿年前)的早期阿尔瓦雷斯龙类，它们的前爪擅长穿刺和牵拉功能，却不擅长挖掘，而晚白垩世(距今约8000万-6000万年)的＂单爪型＂阿尔瓦雷斯龙类成员则具有与穿刺能力和牵拉能力一样优秀的挖掘能力。这一研究结果支持晚期阿尔瓦雷斯龙类的前肢功能相较祖先有了显著变化，该现象可能与这一支系从杂食性到蚁食性生态位的转换有关。本项研究也发现，阿尔瓦雷斯龙类前爪的功能表现和形态特征特化(爪体加厚)高度相关，但却与爪子以及个体大小之间没有直接关联。
　　同时，此次研究还发现大部分镰刀龙类恐龙的前爪功能可以支持其植食性行为，但也发现体型最大的龟形镰刀龙的＂镰刀＂状前爪可能因为过度特化、结构过于脆弱，已经失去正常的手爪功能，成为装饰性结构。因此，这种＂镰刀＂状的手爪可能只能用于性展示、恐吓等非接触行为当中。＂本研究发现镰刀龙类前爪的形态特化速率甚至要快于这类恐龙快速的大型化过程，我们认为导致这种前爪失去大部分功能的原因，可能是一种名为‘过型形成’的异速发育现象导致的。＂秦子川说。(完)