0

2
0

文字

分享

0
2
0

不會褪色的藍色羽毛

小斑
・2013/12/04 ・1602字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 546 ・八年級

大部分人想到羽毛的顏色可能會想到由有機化合物組成的色素,但除了會褪色的色素以外,科學家已經發現在鳥類的羽毛還有蝴蝶甲蟲的殼上,有奈米結構層,因為不同波長的光干涉和繞射的情況不同,而顯現出特定的顏色,因為是物理結構,顏色可以保存很久。[1][2]

thin-film interference其中有個原因是薄層干涉(thin-film interference),在日常生活中的泡泡表面閃亮的顏色也是因為這個原因。看右邊的圖,由於打到第一層的光(B)和打到第二層的光(A)走的距離不同,只有一些特定波長λ的光,才能在這樣的薄層間距d下,在特定的角度θ下,產生建設性干涉(C),加成一個明顯的波(上)。波長或角度不對甚至會互相抵銷(下)。因此特定的間距可以顯現出特定的顏色,物理結構就可以造成我們看到的顏色不同。

 

 

blue birds

但若鳥類的羽毛上都是一層層排列整齊的晶體,會像是穿了一堆亮片。Richard Prum教授的團隊觀察到鳥類的藍色羽毛,是由β角蛋白(β-Keratin)與空氣氣泡交錯,構成一些大範圍沒有完整重複性但小範圍高度整齊排列的非結晶型奈米結構,顯現出特定的顏色(A,B)。Richard Prum教授的團隊就特別用小角度X光繞射(E,F),研究幾種鳥類藍色羽毛的奈米結構(C,D)。[3]他發現主要有兩種不同的型態:管道型和球型,如右圖。

接下來他就很好奇,究竟鳥類要如何控制長出一樣顏色的羽毛呢?(顏色差太多大概就會被認為非我族類,沒鳥要找牠交配了)Richard Prum發現鳥類藍色的羽毛中這兩種奈米結構分別與物理上觀察到的相分離(phase separation)中自組裝(self-assemble)的現象很相近,管道型很像合金冷卻後的旋節分解(spinodal decomposition, SD),球型則比較像是啤酒裡的二氧化碳從啤酒中分離,形成圓形的氣泡(nucleation & growth, N&G)。Prum認為,透過相分離,可以達到kinetic arrest,在動力學上非常穩定,就把結構鎖定,不會再變了

什麼是相分離?

phase separation就像剛剛說的啤酒,本來二氧化碳溶在水裡待得好好的,後來變成氣態跑出來。根據熱力學,物質偏好比較穩定的狀態存在,隨著溫度跟組成成分的不同,一堆混合物的穩定狀態很可能是均勻混合或是不同相分離(e.g. 油和水),造成最後穩定狀態是局部的相分離則是動力學上條件的結果(繼續反應下去的速度極小可忽略)。

同樣都是相分離,為什麼結構一個像是很多條蟲(SD),一個有很多小球(N&G)?如右上圖所示,T=溫度,Φ是容積比,黑色線以上是均勻混合,黑色線以下會局部相分離。根據混合物比例不同,相分離時會產生不一樣的結構:SD和N&G。看到這裡,你千萬別以為鳥類在長羽毛細胞的時候,還得先發高燒再冷卻下來。

再看右下的圖,隨著聚合反應發生,在同樣的溫度下,就會從均勻混合變成相分離,也就是圖中淺黃色的部分。因此他推估,透過產生β角蛋白的速度與量,控制聚合反應,就可以控制羽毛中的最終結構,而展現出不同的藍色。

目前Prum的實驗室也成功重製,模仿上述那種球型奈米結構,做出來的顏色很像。希望以後的衣服、烤漆就不會被曬到褪色囉!

參考資料:


[1] M. Srinivasarao, Chemical Reviews, 1999, 99, 1935–1961.

[2] P. Vukusic and J. R. Sambles, Nature, 2003, 424, 852–85

文章難易度
小斑
16 篇文章 ・ 1 位粉絲
PanSci實習編輯。 一顆在各個學科間漂流的腦袋~

0

1
0

文字

分享

0
1
0
尋找鳥兒的蹤影!——黑枕藍鶲育雛觀察紀錄
自然保育季刊_96
・2022/12/17 ・5710字 ・閱讀時間約 11 分鐘

  • 作者/余雅倩 Ya-Chien Yu |自然觀察家|yuyachien@gmail.com

發現位於園區的鳥巢

因緣際會下,2021 年春天從臺北搬到南投居住,3 月時我常常在行政院農業委員會特有生物研究保育中心(以下簡稱特生中心)的園區閒晃,最常遇到的是紅嘴黑鵯 (Hypsipetes leucocephalus nigerrimus) 在枝頭上除了表演典型的鳴唱時,突然接上不曉得從哪裡學得的變奏曲;白腰鵲鴝 (Copsychus malabaricus) 倏地停在伸手可及的樹枝上或無預警地跳到眼前的地面上覓食,一點兒也不怕人;步道另一側水池邊搶領地的鷺鷥群爭吵聲此起彼落,絲毫不顧慮路過的人們抱怨著這嘈雜聲;走進深處,一旁樹叢窸窸窣窣的聲音,原來是一整群跳來跳去的綠繡眼。

不過,最讓人印象深刻的聲音,便是聽到 3‒5 個連續「回」音,那是黑枕藍鶲(Hypothymis azurea oberholseri)的叫聲,非常有獨特性且具有辨識性,但若想要循音找鳥,就要碰運氣和耐心等待了。在春暖花開的季節,如果一個地方的「回、回、回」反覆出現,很有可能遇到親鳥在附近築巢。

4 月中旬,聽聞常駐點觀察的鳥友發現2個在步道旁的鳥巢,並且觀察到 2 個窩裡的蛋都順利孵化出雛鳥,親鳥輪流密集餵食。這是一個難得的好機會,於是帶著相機裝備尋找鳥友描述的位置。

當天偕同朋友同行,希望能多雙眼睛幫忙找鳥巢,沒多久就發現鳥友口中所說的巢之一,並在同一步道相隔 100 多公尺處發現另一個。若想要瞭解雛鳥的生長過程與雛鳥和親鳥間的互動,就需要長久觀察。

黑枕藍鶲築巢隱藏在樹林中,如果不是發現親鳥頻繁在附近徘迴,特意尋找,其實很難察覺到。圖/《自然保育季刊》第 119 期

第一個發現的巢離入口較近,巢位較低,離地約 1.2 公尺,加上前方的樹林密度也較稀疏,非常適合在安全距離下用長鏡頭觀察。反觀另一個巢位築在離地約 2.5 公尺處,雖然離步道較近,卻不利於長時間連續觀察,因此選擇前者較易觀察的巢位蹲點記錄。

黑枕藍鶲雛鳥屬於晚熟型,親鳥會輪流餵食雛鳥,也聽聞夜間親鳥會臥巢幫雛鳥保溫,因怕用手電筒觀察時會驚擾親鳥,夜間並未去觀察親鳥臥巢的行為。觀察 5 天親鳥的餵食與雛鳥的生長過程,第 5 天上午觀察結束,鳥友通報發現下午 3 隻雛鳥皆順利離巢。難得的育雛觀察紀錄就這樣戛然而止。

雛鳥的生長與親鳥餵食觀察

起初發現巢位,只是單純地想觀察和留下影像紀念,期間到達與停留紀錄的時間,因自己能抽出的時間無法固定,加上遇到光線不佳或是下雨必須提前結束,因此僅能就有記錄到的畫面和影像做出整理。

第 1 天觀察

當天發現與確認巢位後,便開始攝影記錄育雛過程。雛鳥探出巢時發現此巢的雛鳥有3隻,觀察期間有 2 隻已可張眼,不過多半是闔眼或半開。身體大多裸露與羽毛稀疏,翅膀明顯有羽毛覆蓋,還不太會站立,推測此時雛鳥已破殼數日。

黑枕藍鶲育雛紀錄第1天3隻雛鳥。。圖/《自然保育季刊》第 119 期

親鳥輪流餵食,親鳥停在巢附著的樹枝上產生震動,雛鳥張開口,露出黃口,然而並非3隻雛鳥皆會同時張口,親鳥在餵食前會先觀望一下,有張口的雛鳥親鳥才會餵食,食物有昆蟲和果實等。

雛鳥在等待親鳥餵食期間,突然1隻雛鳥單獨張口,我觀察四周親鳥並沒有出現,雛鳥張口的樣子像是在打哈欠,等待的過程像似在打盹,懶洋洋的模樣很可愛。

觀察過程中,筆者觀察到親鳥若是餵食像蜻蜓這般身體較長的食物,嘴喙會銜住蜻蜓的頭部,若一開始餵食角度較水平,雛鳥嘗試吞食卻久吞不下,親鳥注意到後會再次銜起蜻蜓,用嘴喙調整銜接的位置後再次餵食。第 2 次餵食時親鳥便會特意調整角度,傾斜讓雛鳥順利沿著蜻蜓的頭部吞食,並在一旁關注雛鳥完全吞完。

黑枕藍鶲育雛紀錄第1天母鳥餵食鏡頭。圖/《自然保育季刊》第 119 期

餵食期間3隻雛鳥在巢內的位置沒有改變,故可目視觀察,只不過第2次餵食並非原先的雛鳥,不知親鳥是否有留意到或是每一次的餵食都是重新洗牌,只要張口都有機會,這就無法得知了。親鳥餵食完後,有時巢內的其中1隻雛鳥屁股朝上,親鳥用嘴喙銜接雛鳥的糞便後離去。總計觀察到親鳥7次餵食紀錄,母鳥5次,公鳥2次。

黑枕藍鶲育雛紀錄第1天公鳥餵食完四處張望,剛好1隻雛鳥開嘴。圖/《自然保育季刊》第 119 期

第 2 天觀察

從記錄到的影像觀察到次日雛鳥睜開眼睛的時間較首日明顯拉長,第 2 天雛鳥已可完整張開眼睛,並在親鳥餵食完離開後,不似首日那樣立即閉眼,反倒會持續張眼一陣子,雛鳥外觀沒有顯著的差異。我觀察到公鳥餵食完有幾次會停在巢附著的樹枝上許久,有時等到母鳥前來餵食才飛離,停留的時候,會四處張望。

黑枕藍鶲育雛紀錄第2天,剛好捕捉母鳥餵食1隻蜻蛉目的鏡頭,雛鳥眼睛已經可完全張開。圖/《自然保育季刊》第 119 期
黑枕藍鶲育雛紀錄第2天雛鳥大多時候還是闔眼休息。圖/《自然保育季刊》第 119 期

兩隻親鳥亦會同時銜著食物停在巢旁的樹枝上,公鳥先行餵食時母鳥警戒,母鳥餵食完後隨即離去,公鳥繼續停留約 1.5 分鐘,期間四處張望。觀察到 7 次公鳥餵食,僅 1 次餵完後便帶走雛鳥糞便沒有久待,其餘 6 次餵食完都會繼續停留幾分鐘之久才離開。總計觀察到 21 次餵食的紀錄,母鳥 14 次,公鳥 7 次。

第 3 天觀察

雛鳥身體和腹部的羽毛明顯濃密許多,咽喉依舊裸露,身體腹面中央有縱向分布的裸露,睜開眼睛的次數增加,也會用嘴喙整理腹部與背上的羽毛。總計觀察到 25 次餵食的紀錄。母鳥 12 次,公鳥 13 次。

黑枕藍鶲育雛紀錄第3天雛鳥腹部羽毛漸豐。圖/《自然保育季刊》第 119 期

第 4 天觀察

雛鳥身體和腹部的羽毛覆蓋,咽喉依舊裸露,腹面中央縱線羽毛稀疏,理羽的頻度明顯增加,嘗試站立移動翅膀時我注意到背上一對翅膀的收合處,也就是兩個翅膀的中間依舊裸露,推測肩羽尚未茂密,若非剛好捕捉到雛鳥活動身體的畫面,平時翅膀收起覆蓋難以注意到。

黑枕藍鶲育雛紀錄第4天,雛鳥試圖活動翅膀。圖/《自然保育季刊》第 119 期
黑枕藍鶲育雛紀錄第4天,雛鳥試圖站立,像似伸懶腰。圖/《自然保育季刊》第 119 期

此時雛鳥被餵食後若來不及讓親鳥帶走糞便,已能自行抬高尾部將糞便彈射出巢外,彈射時觀察到翅膀下接近尾端依舊裸露。總計觀察到19次餵食的紀錄,母鳥14次,公鳥5次。

第 5 天觀察 (離巢當天上午)

雛鳥身體和腹部的羽毛明顯茂密很多,3 隻雛鳥在巢內顯得擁擠許多,咽喉依舊裸露,雛鳥幾次站在巢的邊緣,開始試圖振翅,蓄勢待飛的感覺。總計觀察到14次餵食的紀錄,母鳥 10 次,公鳥 4 次。

黑枕藍鶲育雛紀錄第5天,雛鳥已會站立在巢的邊緣。圖/《自然保育季刊》第 119 期
黑枕藍鶲育雛紀錄第5天雛鳥明顯羽翼豐滿。圖/《自然保育季刊》第 119 期

當天下午聽聞雛鳥已盡數離巢,親鳥帶著3隻雛鳥在附近的樹枝上活動。次日,再去時只聽到黑枕藍鶲的叫聲,加上沒有發現雛鳥的蹤影,無法判定是否為其親鳥,此次黑枕藍鶲的育雛紀錄就此結束。

餵食紀錄

在文獻紀錄中,黑枕藍鶲的食物包含小型節肢動物,例如蝴蝶、蛾 類、蝗蟲、甲蟲與椿象(Coates et al., 2006;Wells, 2007)。但我非常好奇,在園區內的黑枕藍鶲究竟會找那些食物餵給雛鳥吃呢?是否與國外的研究相同?從本次觀察紀錄當中,連續 5 天每天 1‒2.5 小時觀察與記錄,視當天的光線強弱與天候狀況,調整觀察記錄時間的長短,加上只有一臺攝影裝備,需要拍照和錄影輪流交替,因此僅以實際記錄到的畫面做出歸納和整理。

仔細檢視5天的餵食紀錄後,共記錄到 86 次的餵食鏡頭(影片與照片)。為了計算黑枕藍鶲育雛的食物比例,以定格截圖每個影片中的食物畫面確認其食物種類,由於沒有外接快門線,每一張照片都是倒數十秒拍到,有時無法及時捕捉當下的畫面,但仍還是捕捉到多數餵食的影像。

這些影像經施禮正先生協助辨識,統計出動物類有 56 筆 (占 65%) ,果實有 4 筆(占 4.7%) ,動物類群中昆蟲綱 (Insecta) 雙翅目 (Diptera) 有 12 筆、半翅目 (Hemiptera) 有 8 筆、鱗翅目 (Lepidoptera) 有 7 筆、蜻蛉目 (Odonata) 有 5 筆、直翅目 (Orthoptera) 有 2 筆、膜翅目 (Hymenoptera) 有 1 筆、蛛形綱 (Arachnida) 蜘蛛目 (Araneae) 有 1 筆 (圖 1 ) 。

其中有 26 筆 (占 30.3%) 無法辨識食物,其中原因歸納為:親鳥餵食的角度不佳,親鳥正好背對鏡頭;來不及捕捉親鳥銜著食物的時刻,食物已經直接餵食到雛鳥黃口中;抑或是沒有拍到食物可以辨識的特徵。前述狀況皆歸類為未知。另外,可以看出是昆蟲卻無法辨識到科別的有 20 筆。

本次觀察中黑枕藍鶲親鳥(不分公母)餵食的食物種類圓餅圖。圖/《自然保育季刊》第 119 期

統計完意外發現,餵食食物數量最高的是雙翅目的黑水虻 (Hermetia illucens) ,有 8 筆觀察紀錄,其次是半翅目的小青蛾蠟蟬 (Geisha mariginellus) 有 5 筆紀錄。猜測這個時節,這兩種的昆蟲數量多或是親鳥較善於捕捉此類昆蟲。

黑枕藍鶲育雛紀錄第3天,公鳥餵食青蛾蠟蟬。圖/《自然保育季刊》第 119 期
黑枕藍鶲育雛紀錄第3天,母鳥餵食1隻蜻蛉目。圖/《自然保育季刊》第 119 期

另外,為了知道公鳥與母鳥餵食上的努力程度是否有差異,利用前述影像辨識餵食時親鳥性別,無法清楚辨識親鳥性別或是沒有留下影像紀錄皆不採計。結果顯示母鳥餵食紀錄總計 55 次,公鳥 31 次,這段觀察育雛期間母鳥餵食雛鳥的次數明顯較公鳥多。

巢位觀察

第5天雛鳥離巢後的次日,筆者放心地走近巢位 , 確認黑枕藍鶲的巢築在竹頭角木薑子 (Litsea akoensis var.chitouchiaoensis) 的主枝上。巢枝還是小樹,如果想要取下保留鳥巢,評估會影響樹木的生長,故僅近距離記錄巢的大小與外觀,測量此巢直徑約6cm的杯形巢,巢材僅可辨識出有竹子和不知是蚜科 (Aphididae) 還是扁蚜科 (Hormaphididae) 的棉蚜,全身或部分分泌物 (在巢位旁的月桃的葉背發現有刮除的痕跡) ,推測親鳥在築巢時就近使用一旁的棉蚜,點綴在巢的外圍。這些特徵與過去黑枕藍鶲巢材相關研究的結果類似 (陳華香等,2010) 。

黑枕藍鶲巢近拍。圖/《自然保育季刊》第 119 期
黑枕藍鶲築巢附近月桃葉的葉背刮過棉芽的痕跡。圖/《自然保育季刊》第 119 期

結論

因發現的巢位置便於觀察、雛鳥尚未離巢,幸運地進行5天黑枕藍鶲育雛的記錄,依照觀察到的畫面整理出親鳥餵食的物種比例,參考的圖鑑提及王鶲科 (Monarchidae) 黑枕藍鶲、紫綬帶 (Terpsiphone atrocaudataperiophthalmica) 、亞洲綬帶 (Terpsiphoneincei) 的鳥類擅於捕食飛行中的昆蟲,從育雛觀察中,發現親鳥也會少量餵食果實。

黑枕藍鶲直徑約6公分的杯形巢。圖/《自然保育季刊》第 119 期

雛鳥的發育從羽毛稀疏到茂密,從蹲坐到可以直立振翅,我的心情就像是在旁看著雛鳥長大般的雀躍。離巢當天上午親鳥依舊餵食,只見雛鳥試圖在巢邊緣短暫站立振翅,原以為還有幾日才會離巢,當知道所有雛鳥皆順利離巢,雖有些意外和不捨,更多的是開心,慶幸每一隻都健康的順利長大。

感謝這幾天讓我在可容許的安全距離下進行觀察,期間遇到園區施工,親鳥似乎不受影響地繼續覓食和餵食。

離巢當天上午蓄勢待發的雛鳥。圖/《自然保育季刊》第 119 期

偶遇親鳥在育雛的空檔停在我眼前的樹枝上高歌,注意到我的存在,有點打量的意味搖晃頭好奇地看著我,我怕驚擾到親鳥,不敢有太大的動作,靜靜地互相對望,很有趣的小插曲!

希望將所觀察到難得的紀錄,分享給喜愛鳥兒的你。

自然保育季刊_96
15 篇文章 ・ 11 位粉絲
自然保育季刊為推廣性刊物,以推廣自然教育為宗旨,收錄相關之資源調查研究、保育政策、經營管理及生態教育等成果,希望傳達自然科普知識並和大家一起關注自然!

0

2
0

文字

分享

0
2
0
這是真的嗎?傳說級的暴龍之血,引起古生物學家的學術攻防戰!──《 誰讓恐龍有了羽毛? 》
臉譜出版_96
・2022/08/17 ・4514字 ・閱讀時間約 9 分鐘

流傳了六千萬年的血液!找到疑似暴龍的血管和細胞

體認到 DNA 不能持續存在個幾千年,讓大家失望不已。也因此,所有那些聲稱找到數百萬年前昆蟲、植物和細菌 DNA 的投稿文章,最後全都被學術期刊拒絕。

千萬年下來,DNA 幾乎無法保存良好,使得古生物學家難以藉此完全破解恐龍的秘密。圖/Pixabay

然而,要是恐龍化石中存在有其他種類的蛋白質呢?好比說骨骼中特定的蛋白質?一九九七年發表了一篇發現恐龍血跡的文章,又為大家帶來新希望。

由瑪麗.史懷哲(Mary Schweitzer)領導的蒙大拿州立大學(Montana State University)的研究團隊表示,他們已經從保存完好的暴龍骨骼中抽取出蛋白質和血液化合物。

若真是如此,這將使我們對恐龍的生理學有更進一步的認識——它們的血紅蛋白結構可能會提供攜氧能力的線索,解決恐龍是否為溫血動物的爭議。

瑪麗.史懷哲因為受到一具保存異常完好的暴龍骨架所啟發,而展開她尋找古代蛋白質的探尋。「就某些方面來看,它幾乎與現代骨骼相同,並沒有受到礦物質的填充,」她說。

外面一層緻密的骨層似乎阻止了水分進入,所以內部的骨骼看來和新鮮的一樣。史懷哲鑑定出這些內部區域的蛋白質和可能的 DNA。她這樣描述當時的興奮之情:

實驗室裡充滿了驚奇的低語聲,因為我注意到血管內有一些我們以前從未注意到的東西:微小的圓形物體,呈半透明的紅色,中間則是黑色的。

然後一位同事過來看了看,大喊道:「你找到紅血球。你找到紅血球了!這看起來就跟一塊現代骨骼一樣。

但是,當然,我無法相信。我問實驗室的技術員:「這骨骼畢竟有六千五百萬年的歷史。紅血球怎麼可能保存那麼久?」

瑪麗.史懷哲的研究團隊可能在暴龍的骨骼中,找到了牠們的血管以及細胞。圖/Science

然後我們對這根可能含有紅血球的骨骼進行測試。骨骼中似乎確實含有血紅素,這是血液中的血紅蛋白分子上負責攜帶氧氣的那部分。

血紅素呈紅色,這也是血液呈紅色的原因,因為這當中富含鐵,在與氧氣結合時就會呈現紅色,這有點類似鐵生鏽時會出現顏色變化的原理。

質疑:這些是恐龍本身的組織,還是外來汙染?

然而,許多其他科學家質疑這些報告,並認為骨骼中富含鐵的痕跡與血液或血液製品無關,可能只是這動物在遭到掩埋很長時間後進入骨骼的鐵質。

在受到許多評論——有些公平,有些可能不公平——後,瑪麗.史懷哲和她的團隊在二〇〇五年又在《科學》雜誌上發表了一篇後續文章,題為「暴龍的軟組織血管和細胞保存」(Soft-tissue vessels and cellular preservation in Tyrannosaurus rex)。

她的團隊溶解掉一些四肢部位堅硬骨骼的磷酸鈣,留下了由狹窄的血管組成的殘留物,其中包含可以擠出的圓形物體。

從圖 A 中可以發現,脫礦的骨骼基質具有彈性,在箭頭處,拉伸後仍然可以恢復,而在圖 C 箭頭處可以看到纖維狀的特徵。圖/Science

脫礦後的骨骼基質是纖維狀的,並保留了一些原始彈性——在一根將近有七千萬年的化石上,這是非常驚人的。

在後來針對相同材料的研究中,史懷哲和她的同事進行了一系列生化測試,試圖證明這些彈性纖維線是由膠原蛋白組成,就像在原始骨骼中那樣。

骨骼通常由兩種主要材料組成:磷灰石礦化針,這是一種磷酸鈣,會嵌入在纖維性的膠原蛋白中。正是這種彈性蛋白質和硬礦物質的結合,賦予活體骨骼有趣的特性,讓骨骼能夠彎曲(在某個角度範圍內),但彎太大還是會脆裂折斷。

在沒有磷灰石晶體的地方,膠原蛋白形成軟骨,這種柔軟的材料讓我們的耳朵和鼻子變硬,也是鯊魚骨骼的主要成分。

不久之後,在二〇〇八年,托馬斯.凱耶(Thomas Kaye)及其同僚將重新解釋所有這些化石發現,指出這全是人為因素所造成的。他們說,這個疑似血管的構造可能是細菌膜,而所謂的紅血球只是黃鐵礦晶體,是一種硫化鐵礦物。

反轉、反轉再反轉,究竟誰比較靠近真相?

瑪麗.史懷哲對這些批評並不買單,到了二〇一五年,她的研究似乎得到了另一個研究團隊的證實,他們表示從八塊白堊紀時代的恐龍骨骼中取得膠原蛋白和紅血球。

然而,到了二〇一七年,又有一篇文章發表,曼徹斯特的麥克.巴克萊(Michael Buckley)及其同事顯示,這些暴龍的膠原蛋白主要是由實驗室汙染物、土壤細菌以及鳥類血紅蛋白和膠原蛋白所組成的。

他們特別指出,那個所謂的恐龍蛋白質與現代鴕鳥的序列相吻合——這是很容易出錯的地方,若是在分析化石材料的實驗室中,也處理這些現代生物的樣本,就會出現這樣的錯誤。

然後,情況變得比較明朗。在二〇一八年的一篇論文中,耶魯大學的博士生亞斯米娜.偉曼恩(Jasmina Wiemann)帶領的一個小組再次研究了那些去除所有礦物質後的化石骨骼中的血管和其他褐色物質。

她進行了一連串複雜的測試,發現這些血管和組織都是真的,但其組成已經不是最初的蛋白質,可能只有膠原蛋白還保持原樣。

其他的成分都已腐爛,轉變成另一種形式,稱為N-雜環聚合物(N-heterocyclic polymers)——所以事實上,瑪麗.史懷哲是對的,她發現的確實是血管、皮膚細胞和神經末梢的一部分,只是在化石化的過程中,蛋白質發生本質上的轉變。

原始的膠原蛋白有可能被保存下來,但處理時必須格外小心,確保它沒有受到汙染。在一九九二年,荷蘭研究人員傑哈德.麥瑟(Gerard Muyzer)從兩隻白堊紀恐龍的骨骼中找到另一種骨蛋白,稱為骨鈣素(osteocalcin)。

有可能是骨鈣素(osteocalcin)讓恐龍骨頭組織可以逃離腐化的命運。圖/Wikipedia

骨鈣素存在於所有脊椎動物的骨骼中,其作用類似於荷爾蒙,可以刺激骨骼修復以及其他生理功能。骨鈣素是一種堅韌的蛋白質,可以非常牢固地與骨礦物質結合,正是因為如此,似乎可以逃過腐化的命運。

它也是一種相對較小的蛋白質,由大約五十個胺基酸組成。在二〇〇二年,曾經為一隻五萬五千年前的野牛化石的骨鈣素分子進行完整定序。也許有一天,我們也可以幫恐龍的骨鈣素定序。

雌、雄恐龍長得到底一不一樣?

長久以來古生物學家一直認為,恐龍具有雌雄二形性,也就是兩性的外觀不同,至少有些種類是如此,就如同之前在第四章中看到的。

在過去,有人曾認為晚白堊世長角的角龍類和長冠的鴨龍類這些植食性動物是如此,牠們的骨架組成大同小異,只是頭上頂著的冠或角不同。

但若根據這種說法,奇怪的案例就出現了:所有的雄性會在一個時期都生活在一個地方,而所有的雌性,也就是頭骨稍微有些差異的個體,則碰巧在另一個時期生活在另一個地方。

這個例子讓假設完全無法成立!

然而,近來恐龍的雌雄二型性再度成為焦點,因為現在我們可以辨識一些羽毛顏色和圖案細節。

有許多動物的雄性、雌性具有非常迥異的外表,恐龍是否也有類似的現象?圖/Wikipedia

現在普遍認為,許多恐龍的羽毛可能是用於展示,而條紋和頭冠則暗示著雄性在交配前的求偶展示,就跟多數鳥類一樣,而這正是性擇在恐龍演化中扮演的關鍵作用,如之前在第四章所提到的。

髓質骨,也許是破解恐龍性別的關鍵!

最棒的是,我們或許能夠根據這些明確的證據來辨別某些恐龍的性別。

大多數的雌鳥都長有一種特殊的骨骼叫做髓質骨(medullary bone),這是一種填充髓腔的海綿狀骨骼,會出現在某些肢體骨骼的核心。

在現代鳥類中,最初是一九三四年在鴿子身上注意到,然後在麻雀、鴨子和雞的骨架中也有觀察到。鳥的身體可以很快生成髓質骨,也可以很快地將其拆解回收,算是一種鈣質的儲藏庫,在需要形成蛋殼時可以快速釋出原料。

後來的研究發現,所有的現代鳥類都是如此。

生理實驗顯示,在雌鳥開始產卵時,髓質骨會在整套骨架的許多骨骼核心累積,然後隨著鈣進入發育中的蛋殼而減少。髓質骨的發育和轉移會隨著季節而出現週期性的變化,主要是受到雌激素(Oestrogen)和其他與繁殖週期相關的荷爾蒙所控制。

二〇〇五年,瑪麗.史懷哲首次在現代鳥類之外的暴龍身上發現髓質骨。從那時起,也陸續在其他獸腳類恐龍和鳥臀目中的腱龍(見隔頁)和難捕龍(Dysalotosaurus),以及已滅絕的孔子鳥和企鵝(Pinguinis)中發現。

由位於開普敦的南非博物館的阿努蘇亞.欽薩米-圖蘭(Anusuya Chinsamy-Turan)及其同僚所發表的一篇關於孔子鳥的研究特別有說服力,因為他們證明鑑定出髓質骨的化石都是雌性標本(參見下圖)。

白色箭頭處,即為雌孔子鳥的髓骨。圖/臉譜出版

在中國博物館蒐集到的數千個烏鴉大小的孔子鳥標本中,已經確定出雌雄兩性的形態。

有一個非常經典的標本是在同一塊石板上同時有雄鳥雌鳥——推測是雄鳥的那隻,長有旗桿般的長尾羽,而假設是雌鳥的那隻則沒有。

因此,就跟現代鳥類一樣,雄性長有荒謬的裝飾品,以便向較為敏感但外表單調的雌性炫耀,試圖展現牠強韌的特性,暗示牠將會是一個好父親。

欽薩米-圖蘭及其同僚在一個顯微切片中發現了位於內腔的髓質骨,其海綿狀的骨組織與一般較為規則和緻密的骨骼完全不同。髓質骨只有在雌性身上發現,從來沒有在雄性身上發現——雖然也不是所有的雌性都有,因為牠們死時並非都處於繁殖季。

不過,在其他例子中對於髓質骨的功能則還有爭議,比方說有研究指出在暴龍和異特龍等大型恐龍身上也有發現髓質骨。他們提出另一種解釋,認為些大型恐龍中之所以有海綿骨,可能與生長突增(growth spurt)有關。

有些體形較大的恐龍,生長速度非常快,幾個月內,體重可增加數百公斤,因此會需要快速取得和調動鈣質,我們將在第六章談這類恐龍。

在現生鳥類,甚至是化石鳥類中,髓質骨的存在是為了繁殖,這一點毋庸置疑,但只有在小型恐龍身上發現這類骨骼,也許是因為產卵對牠們來說是一項巨大工程,就像對今天的鳥類一樣。

從這一對孔子鳥的化石可以看見明顯的雌雄二型性。圖/臉譜出版

深入研究恐龍骨骼,認識牠們的生理機能和交配行為是一回事,但我們到底能不能一如本章開頭的主題所問的,設計出一隻活生生的恐龍呢?

——本文摘自《誰讓恐龍有了羽毛? 》,2022 年 7 月,臉譜出版

臉譜出版_96
67 篇文章 ・ 245 位粉絲
臉譜出版有著多種樣貌—商業。文學。人文。科普。藝術。生活。希望每個人都能找到他要的書,每本書都能找到讀它的人,讀書可以僅是一種樂趣,甚或一個最尋常的生活習慣。

0

3
1

文字

分享

0
3
1
差點考倒古生物學家的大哉問:恐龍究竟是甚麼顏色?──《 誰讓恐龍有了羽毛? 》
臉譜出版_96
・2022/08/16 ・3583字 ・閱讀時間約 7 分鐘

想知道恐龍是什麼顏色?我們需要一臺時光機!

在導言中我提過恐龍的顏色,這個主題在最近的恐龍古生物學中,有一些令人興奮而且出乎意料的發現。之所以說是出乎意料,是因為古生物學界曾經感嘆,「我們永遠不會知道恐龍真正的顏色」。

我們或許可以從牠們的骨骼合理地重建其進食和運動方式,但要知道牠們的顏色,恐怕需要一臺時光機。

Phone Barney GIF
紫色《小博士邦尼》可能是某些人小時候的回憶,但事實上,我們可能永遠無法知道恐龍真正的顏色。圖/GIPHY

然而,正如我在導言中所提,關鍵在於鳥類羽毛和哺乳類毛髮的顏色大半是來自美拉寧黑色素的幾種變異型,其中一種稱為真黑色素(eumelanin),這會讓毛髮呈黑色、棕色和灰色,而另一種棕黑素(phaeomelanin)則會造成薑黃色。

哺乳類就只有這兩種色素,而鳥類的羽毛中還有另外兩種色素,一是卟啉(porphyrins)會產生紫色和綠色,另一個是類胡蘿蔔素(carotenoids),產生紅色和粉紅色。

關鍵在於黑色素是一種非常強韌的化學物質,可以承受大量的熱或壓縮,因此可以保留在化石中。

此外,兩種主要類型的黑色素分別包裹在不同形狀的囊中,稱為黑素體,真黑色素的黑素體呈香腸狀,而棕黑素的呈球形——這不論是在鳥類,還是在哺乳類中都是如此。

左圖呈香腸狀,是「真黑素」的黑素體;右圖呈球狀,是「棕黑素」的黑素體。圖/臉譜出版

因此,套用現存親緣包圍法的概念,即在演化上,哺乳類和鳥類這兩個演化分支會把恐龍「包圍」在當中,因此這套形狀-顏色關係很可能適用在所有被包圍進來的群體,包括恐龍在內。黑色素是在皮膚中產生,透過毛囊進入發育中的頭髮或羽毛中的黑素體內。

在二〇〇七年,我第一次有機會去中國,當時我和同事帕迪.奧爾及斯圖爾特.吉恩斯一起前去。我們在野外待了兩週,探索中國東北熱河層(Jehol Beds)的所有站點,那裡主要是一套早白堊世的地層,當中有許多帶羽毛的鳥類和恐龍標本,之後又在北京古脊椎動物與古人類學研究所的實驗室裡待了兩週的時間。

我們在那裡用顯微鏡觀察羽毛和皮膚的樣本,發現了一些看似很值得探討的例子。

科學家終於找到破案線索!化石中的黑體素

二〇〇八年時,我們看到當時還在耶魯大學讀博士的雅各布.溫塞爾所寫的那篇重要論文,當中描述他在來自巴西和丹麥的化石鳥類羽毛中發現了黑色素體,當時我們立即想到,「那我們也來看看是否能在恐龍羽毛中找到這些」。

於是我們跟北京古脊椎動物與古人類學研究所的張福成聯絡,他曾在二〇〇五年來布里斯托進行訪問,研究鳥類化石標本,並安排一些中華龍鳥樣本的借用事宜,包括來自不同身體部位的小片化石羽毛,他在二〇〇八年第二次前來訪問布里斯托。

那時我們發現了黑素體。

我們在二〇〇九年初寫了關於這項發現的文章,投稿到《自然》。就跟過去一樣,要說服所有的審稿人得花上很長的時間。這篇文章一共被審查了十二次——每次四位審稿人,一共有三輪——而且每次都有一位就是無法信服。

「這不是黑素體,這不是羽毛,那些也不是恐龍⋯⋯」

二〇〇九年初在我的年度休假期間,我去了耶魯,與溫賽爾和他的同僚討論,我們的文章最後終於在二〇一〇年二月發表出來。

我們在文章中指出,中華龍鳥有褐黑素體(phaeomelanosome),也就是含有薑黃色的色素囊,而且非常多。是薑黃色的!而且牠們的尾巴有條紋,由等長的白色和薑黃色條紋交錯而成。

所以,我們也發表了重建圖(下圖),並且很有自信地表示:「這份重建圖首次展現出恐龍的正確顏色。」

真黑素會讓恐龍的羽毛呈現黑色和棕色,棕黑素則是橙色。圖/臉譜出版

這點很重要:我們不是在發表什麼真知灼見,而是在陳述一個客觀事實,如果有人證明我們對黑素體的觀察是錯的,我們的這項陳述可能會被駁斥。

與此同時,由雅各布.溫賽特領導的耶魯大學團隊也發表了他們重建的恐龍顏色更為豔麗,是來自中國侏羅紀地層中的近鳥龍,牠的翅膀和尾巴上有黑白條紋,頭頂有一個可愛的薑黃色冠,臉頰上還有黑色和薑黃色的羽毛斑點。

那麼,這一切到底意味著什麼?確定恐龍的顏色可能是觸類旁通而來的聰明想法,也許能讓人津津樂道,覺得有趣,但它可以告訴我們任何有用的資訊嗎?

更多問題出現了:恐龍為甚麼有羽毛?

確定羽毛的顏色徹底改變了我們對恐龍行為複雜性的認識。

今天的鳥類之所以長羽毛主要有三個原因——保溫、溝通和飛行。很明顯地,保溫的功能是在飛行前就有的。鳥胸上的絨毛是為了保暖和調節體溫,這些羽毛的構造比飛羽簡單得多。

因此,若真的如巴克所提議的,假設恐龍長有羽毛,那很可能是為了要保溫。

然而,在我們二〇一〇年的文章中,我們的團隊和溫塞爾的團隊都主張羽毛在演化的早期顯然是為了溝通。然而,我們不能大膽地說這就是它們最初出現的原因——但那時它可能已經具有這樣的作用。

中華龍鳥的條紋尾巴和近鳥龍條紋翅膀和彩色頭冠,除了溝通之外別無其他功能。保溫或飛行並不需要有圖案。況且,這些顏色似乎也不像是用於偽裝的保護色——條紋尾巴有可能擔負這樣的功能,但是今天以條紋來偽裝的動物,好比老虎和斑馬,都是全身長滿條紋,而不僅僅是在尾巴上。

所以,這些訊號是為了傳達給異性的。

現在,我們可以想像雄性恐龍,尤其是小型的獸腳類,就像今日的許多鳥類一樣,會在雌恐龍面前炫耀展示牠們的這一身配備。

有許多鳥類演化出多彩的羽毛來求偶,例如雄孔雀即擁有一身華麗的羽毛圖案。圖/Wikipedia

鳥類之所以有這麼高的多樣性,光是目前已知的物種就將近有一萬一千種,其中一個原因就是性擇,這有助於維持和推動物種的分化,每個物種都有其特殊的羽毛圖案。

倘若剝掉羽毛,大多數樹棲型鳥類的骨架幾乎都相同,但是雄鳥的羽毛讓牠們氣宇軒昂地獨樹一幟,而且因為牠們交配前的舞蹈和展示只會吸引到同種雌性,因此不會雜交。

恐龍有「雌雄二形性」嗎?

意識到許多恐龍可能是經由性擇演化出來的之後,帶來了一個難題:牠們當中有很多都沒有展現出雌雄二形性(sexual dimorphism),即雌雄之間的形式差異。

今天,許多爬行類、鳥類和哺乳類會展現出雌雄兩性的差別——想想身軀光滑的母獅和體形碩大、長有鬃毛的雄獅,或是許多靈長類雄性,體形通常較大,牙齒也較大。

雄獅與母獅的外型相差許多,恐龍是否也有這樣的差異呢?圖/Pixabay

不過,也許鳥類提供了部分答案——儘管雌雄孔雀的外觀相去十萬八千里,但這一切都僅止於羽毛。牠們的骨架非常相似,可能僅有在一些小細節上有所不同。獸腳類恐龍的外觀可能也是如此。

這是近來辯論得最為激烈的一部分,有一派認為恐龍的角和冠是雌雄二形或性訊號的證據,但在另一派人眼中,這些結構則具有不同功能,例如進食、防禦或物種辨識。

凱文.帕迪安(Kevin Padian)和傑克.霍納(Jack Horner)在二〇一一年的一篇論文中為「物種辨識假說」提供了強有力的證據—─他們認為恐龍身上所有「怪異的結構」都是為了讓個體能夠辨識自己物種中的其他成員,也許是因為牠們身處的擁擠環境中,有許多外型相似的恐龍,需要相互保護。

在這樣的模型裡,性擇並不是那麼重要。

羅伯.柯內爾(Rob Knell)和史考特.山普森(Scott Sampson)對此直接予以反駁,他們認為物種辨識可能只是許多恐龍的角、冠和羽毛排列的次要功能,這種結構的演化和維持需要付出高昂的代價,而唯一能夠有效解釋的論據是性擇。

此外,他們指出,怪異結構的形狀和大小在單一物種間的變異很大,因此可能無法當作辨識物種的明確標籤,而是基於其他功能被挑選出來的,諸如配偶競爭,當作是與其他雄性戰鬥的武器,或是向雌性炫耀的裝飾品。

這場爭論還方興未艾,但所有證據都顯示恐龍的社會行為相當複雜,這表示牠們可能並不像過去人們所描述的那樣愚蠢。

——本文摘自《誰讓恐龍有了羽毛? 》,2022 年 7 月,臉譜出版

臉譜出版_96
67 篇文章 ・ 245 位粉絲
臉譜出版有著多種樣貌—商業。文學。人文。科普。藝術。生活。希望每個人都能找到他要的書,每本書都能找到讀它的人,讀書可以僅是一種樂趣,甚或一個最尋常的生活習慣。