古代翼龍依靠“小腦袋”就已掌握飛行能力

一項最新研究顯示，早在約2.2億年前出現(xiàn)的古代翼龍，很可能在演化之初就已經(jīng)具備成熟的主動飛行能力，而這一飛行能力并未依賴如鳥類那樣顯著擴(kuò)大的大腦，這顛覆了長期以來“飛行必須伴隨腦容量大幅提升”的慣常認(rèn)知。

研究由美國約翰斯·霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院進(jìn)化生物學(xué)團(tuán)隊牽頭完成，利用先進(jìn)的化石成像技術(shù)重建翼龍及其近親腦腔結(jié)構(gòu)，并將其與早期鳥類和鱷類祖先進(jìn)行系統(tǒng)對比。

研究負(fù)責(zé)人Matteo Fabbri指出，現(xiàn)生鳥類的大腦普遍較大，特別是與運(yùn)動協(xié)調(diào)、視覺和空間感知相關(guān)的區(qū)域被視為促成飛行的重要前提，但翼龍的情況卻截然不同：其大腦整體大小和形態(tài)更接近不具飛行能力的非鳥類恐龍，卻仍然成為恐龍時代的強(qiáng)勁飛行者，有些物種翼展可達(dá)約9米、體重接近227公斤，被認(rèn)為是繼鳥類和蝙蝠之外三大獨(dú)立演化出的主動飛行脊椎動物類群之一。

為了追溯翼龍飛行能力的起源，研究團(tuán)隊利用CT掃描和三維成像軟件，對多具翼龍化石的腦腔進(jìn)行重建，并特別關(guān)注負(fù)責(zé)視覺處理的視葉等關(guān)鍵區(qū)域的發(fā)育變化。 科學(xué)家將翼龍與其被確認(rèn)的最近親類群——生活在約2.42億至2.12億年前、樹棲且不會飛的“l(fā)agerpetid”爬行動物進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)后者的大腦中視葉已出現(xiàn)明顯擴(kuò)展，被認(rèn)為是為樹棲生活和更精細(xì)的視覺能力提供優(yōu)勢，也可能為其翼龍后代后來“躍升天空”提前做好了神經(jīng)感覺上的準(zhǔn)備。

在對比分析中，翼龍同樣具備較大的視葉，但除此之外，它們的大腦在整體形態(tài)和相對體積上與lagerpetid的相似度并不高。 研究團(tuán)隊認(rèn)為，這種“局部相似—整體差異”的格局，意味著翼龍在演化起點(diǎn)附近就經(jīng)歷了一次快速的神經(jīng)解剖學(xué)躍遷：在保留部分增強(qiáng)視覺等已有特征的基礎(chǔ)上，迅速完成了為主動飛行服務(wù)的腦結(jié)構(gòu)重塑，而并非像鳥類那樣經(jīng)歷漫長、步驟分明的漸進(jìn)式適應(yīng)過程。

與翼龍的“突躍式”模式相比，鳥類被普遍認(rèn)為是通過多階段、循序漸進(jìn)的方式獲得飛行能力：其遠(yuǎn)古親緣類群先在大腦半球、小腦和視葉等區(qū)域出現(xiàn)相對擴(kuò)展，隨后這些結(jié)構(gòu)再“借用”并進(jìn)一步優(yōu)化，用于支持復(fù)雜的飛行控制與高效的感知—運(yùn)動協(xié)同。 這一觀點(diǎn)也得到此前其他研究的支持，例如有工作指出，小腦的體積擴(kuò)張是鳥類飛行演化中的關(guān)鍵因素之一，因為小腦在調(diào)節(jié)肌肉運(yùn)動、平衡和精細(xì)動作控制中發(fā)揮核心作用。

在進(jìn)一步工作中，科學(xué)家還將翼龍腦腔與鱷類祖先和早期已滅絕鳥類的化石腦腔進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)翼龍的大腦半球雖然有所擴(kuò)展，但總體仍僅相當(dāng)于部分雙足、類鳥恐龍（如馳龍類、傷齒龍類等）以及最早期鳥類始祖鳥的水平，明顯小于現(xiàn)代鳥類的腦容量相對比值。 這一結(jié)果支持了一個重要結(jié)論：對于翼龍而言，飛行的實現(xiàn)并不依賴“鳥式”的大腦全面擴(kuò)容，而是通過關(guān)鍵感覺區(qū)域（如視覺中樞）的適度強(qiáng)化，加上軀體結(jié)構(gòu)和翼部形態(tài)的演化共同完成。

研究團(tuán)隊表示，下一步的關(guān)鍵，將是深入解析翼龍大腦各功能區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)與連接模式，弄清在整體不算龐大的前提下，其神經(jīng)系統(tǒng)如何協(xié)調(diào)肌肉、平衡和空間導(dǎo)航，從而支撐高效飛行。 相關(guān)成果以“在飛行演化過程中翼龍與非鳥類近鳥類之間的神經(jīng)解剖趨同”為題發(fā)表在期刊《Current Biology》上，并獲得包括美國國家科學(xué)基金會、歐盟以及多國科研基金的資助，為理解飛行以及神經(jīng)感覺系統(tǒng)的演化提供了新的關(guān)鍵線索。

編譯自/ScitechDaily