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中外科学家首次发现恐龙羽毛颜色的证据
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本周出版的英国《自然》（NATURE）杂志以“Fossilized melanosomes and the colour of Cretaceous dinosaurs and birds”(黑色素体化石及白垩纪恐龙与鸟类的颜色)为题介绍由中国、英国和爱尔兰等三国科学家（张福成，Stuart L Kearns，Patrick J Orr，Michael J Benton，周忠和，Diane Johnson，徐星，汪筱林）共同完成的一项研究成果。他们报导了在中国热河生物群的鸟类和带毛的恐龙中发现的两种黑色素体。这一工作代表了古鸟类和恐龙研究取得的一项最新进展，为科学复原古生物的颜色提供了依据，也为羽毛起源、鸟类起源及鸟类与恐龙的系统关系的研究提供了新的证据。
这是赵闯和我为Nature绘制的复原图
该研究主要包括以下三方面的科学意义：1）首次科学验证了一些恐龙（如中华龙鸟、中国鸟龙等）的纤维状“毛”状结构与鸟类羽毛的同源性，即同属皮肤衍生物，而不是皮肤内的纤维；这一发现倾向支持鸟类起源于恐龙的假说；2）首次为复原带毛恐龙身体的颜色提供了科学根据，同时也是第一次对热河生物群的鸟类的羽毛颜色复原提供了证据；3）这项成果为从微观的层次研究羽毛的起源和演化开辟了新的途径；也为依靠电子显微镜技术、地球化学手段以及通过古生物学与现代细胞生物学及现代生物化学的学科交叉，研究当时的古环境及埋藏学等探索了新的途径。
对生活在1.3-1.2亿年前的热河生物群的各类古生物的研究是当前国际古生物界的热点之一。十多年来中外科学家依据这些生物发表了一系列的高质量论文。其中对恐龙和古鸟类的研究更是集各关键和难点问题于一体，争论颇多。这主要涉及到鸟类的起源、鸟类与恐龙的系统关系、羽毛的起源及飞行的起源等问题。其中有关一些带毛恐龙的“毛”状结构究竟是皮肤外的皮肤衍生物还是皮肤内的纤维组织的争论尤为关键。无庸置疑，近年来发现于中国的带毛恐龙是鸟类起源于兽脚类恐龙学说复兴的最重要证据之一。但是，伴随着带毛恐龙的发现，对这些“毛”的性质也质疑不断，有些人认为一些其中的一些细丝状的结构并不属于恐龙皮肤外的结构，而是皮肤内的纤维；如果这个结论成立，这将在根本上否定鸟类的羽毛与恐龙的丝状“毛”状物的同源关系，也将动摇鸟类起源的兽脚类恐龙学说的一个重要基石。本研究首次在亚细胞水平上证明了恐龙的丝状毛属于皮肤衍生物，而不是皮肤内的纤维；因为在这些带毛的恐龙的“毛”中找到了与鸟类羽毛类似的黒色素体，而黒色素体并不存在于皮肤内部的纤维结构内。
地球中拥有的各种无脊椎动物、脊椎动物和植物等化石常会使人们联想到几百万年、几千万年、甚至数亿年前的大自然也同样拥有一个色彩斑斓的生命世界。实际上，虽然这可能是个事实，但这种推断长期缺乏科学根据。以往科学家和艺术家所描绘的各种精美的古动物彩色复原图也仅是建立在“将近论古”的推测中，鲜有化石的实证。而本周《自然》报道的古鸟类和恐龙皮肤衍生物中存在的黑素体，首次证明生活在1.25亿年前的一些古鸟类和带毛的恐龙均具有“色彩斑斓”的基础。科学家们在这些化石中发现了两种黑色素体，一种为真黑色素，另外一种为褐黑色素；后者为在化石中的首次发现。这两种物质均在现生鸟类的羽毛中存在。根据和现代鸟类的对比，他们推测，这些带毛的恐龙和古鸟类的身体已经具有以灰色、褐色、黄色及红色为主要色彩的基础。如果假设上述色彩可能产生不同比例的组合，那么1.25亿年前的鸟类和恐龙是否已经能如同今天的鸟类一样五颜六色、姹紫嫣红…？
在以往的早期羽毛等皮肤衍生物的工作中，主要凭借肉眼和光学显微镜等手段进行细胞、组织水平以上的形态学研究。而本项研究主要是通过电子显微镜和能谱等技术，开创了研究1.25亿多年前细胞内结构——黑色素体的先河，为今后从微米水平上进行类似的细胞、亚细胞结构的古生物研究奠定了基础，并为从微观水平上研究当时的古环境和埋藏学提供了新的手段，促进了古生物学与现代生物学的交叉与融合，以形成新的学科增长点。
据科学家们介绍，限于化石保存等因素，对灭绝动物的颜色的复原是一项十分复杂的工作（参见背景资料），这一项研究所提供的也只是一个初步的结果。要准确完全复原灭绝动物的颜色还需要大量的后续的研究工作。
张福成，周忠和，徐星和汪筱林均为中科院古脊椎动物与古人类研究所的研究员。该项研究得到了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院和英国自然环境研究委员会（Natural Environment Research Council）及皇家协会（Royal Society）的资助。
本项研究背景资料：
2008年，耶鲁大学的Jakob Vinther等由古生物学家和鸟类学家组成的研究团队首次在巴西早白垩世的化石羽毛中发现了包含真黑色素的黑色素体。根据他们的研究发现，化石中实际上保存了许多含有黑色素的结构。例如，鸟类的眼睛、鱼类的眼睛，哺乳动物的毛发等。
2009年Jakob Vinther等人又研究了德国始新世的鸟类的羽毛，再次发现了真黑色素体，进一步证实羽毛的颜色信息可以保存在化石中。
有关现生鸟类羽毛颜色的部分背景资料（主要来源：郑光美，1996，鸟类学，北京：北京师范大学出版社；Hill GE & McGraw KJ, 2006，Bird Coloration，London: Harvard University Press））：
在所有的脊椎动物（包括鱼类、两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类等）中，鸟类的羽毛是最复杂的皮肤衍生物，其他种类的皮肤衍生物如爬行类的鳞片、哺乳动物的毛发等都比羽毛简单得多。与之最复杂的结构相对应，鸟类的羽毛也同样具有脊椎动物中最多种的色泽和光泽、最多样的斑纹。几乎所有与颜色有关的华丽词汇都可以应用到对羽毛的描述上。
羽毛的上述羽色与光泽由色素色(pigmentary colour)和结构色 (structural colour)两种因素共同形成。色素色主要来自黑色素(melanin)和脂色素(lipochrome)两大类色素的各种颜色及其不同比例的组合。
其中黑色素还包括真黑色素(eumelanin)和褐黑色素(phaeomelanin)两种类型，前者主要为棒状结构，主要产生灰色和黑色等；后者主要为扁球状结构，主要产生褐色、红色及黄色等；两者大小为1微米左右。这两种色素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。
脂色素(lipochrome)主要包括胡萝卜素(carotenoid)和卟啉(porphyrin)两类，可分别产生红、橙、黄、紫，及红、绿、褐等色。与黑色素不同，脂色素不是来源于特殊的色素细胞，而是直接来源于食物，溶于脂肪内的脂色素随着体液运动到羽毛的基部，当羽毛生长、角化时，因脂溶剂的消失而沉积于羽毛内。
结构色是借羽毛上皮表面的物理结构、复杂的凹凸沟纹、羽小枝内的微小颗粒、气腔和液泡等对光线所起的折射和干涉作用而产生的色彩变幻，造成鸟类羽毛具金属光泽以及可随不同视角而变化的辉亮色泽（郑光美，1996）。
结构色和色素色常同时起作用，呈现出更加复杂的色彩，可能正是由于这两种因素色的共同作用，才使羽毛能展现出不是‘赤，橙，黄，绿，青，蓝，紫’这些简单词汇所能描绘出的梦幻色彩。
另外，上述资料中对色素颜色的叙述仅是简单、主观性较强的基本形容，这一般因色素所处的环境和描述者的色彩感知能力的不同而具有较大的差异。同时，在已知文献中有关色素英文词汇的中文翻译也多种多样，本资料所用词汇主要依据郑光美的《鸟类学》。
一些背景资料的英文版网址：
https://blog.sciencenet.cn/blog-40561-290792.html
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