紫外线和CT扫描帮助科学家揭示了一块保存完好的始祖鸟化石中的隐藏细节

与所有始祖鸟化石一样，芝加哥标本发现于德国索尔恩霍芬附近的石灰岩矿床中。这件特殊标本由一位私人化石收藏家于1990年前发现，此后一直由私人收藏。一个支持者联盟协助菲尔德博物馆购得此标本；它于2022年8月运抵博物馆。

“当我们最初获得这件始祖鸟时，我的感受是非常、非常、非常酷，兴奋得难以言表。但同时，始祖鸟已被认识超过160年，因此我不确定我们能从中获得什么新知识，”菲尔德博物馆爬行动物化石副馆长、该论文的主要作者邢立达（Jingmai O'Connor）表示。“但我们的标本保存和制备得如此完好，实际上我们正从它的鼻尖到尾尖，获取大量新信息。”

始祖鸟生活于约1.5亿年前的侏罗纪时期，是一种小型动物——芝加哥标本尤其是有记录中最小的，体型仅与鸽子相当。它微小而中空的骨骼保存在一块极为坚硬的石灰岩板中。“面对如此精细的化石，你不能像处理霸王龙那样庞大坚固的化石那样，完全将其从周围的岩石基质中分离出来，”邢立达解释道。“因此我们在制备过程中，小心地凿去了覆盖化石的岩石碎屑。”

一支由菲尔德博物馆首席化石制备师Akiko Shinya领导的化石制备团队，为芝加哥始祖鸟标本工作了一年多。这项工作极其精细。由于保存下来的骨骼和组织与其围岩颜色几乎相同，辨别化石与岩石基质的边界本身就是一个挑战。团队还运用了CT扫描来更清晰地界定化石边界。

“CT扫描仪本质上是一种通过一系列X射线构建三维图像的机器，其原理基于密度差异。它能让你透视物体内部，”邢立达说。“CT扫描对我们的制备过程至关重要——例如，它能告诉我们骨骼精确位于岩石表面下3.2毫米处，这让我们确切知道下刀的安全深度。这是首次对完整的始祖鸟进行CT扫描并将数据公开。”

团队还借助紫外线来探查化石骨架的各个部分，甚至包括软组织（如脚趾底部的鳞片）。“先前研究表明，索尔恩霍芬化石的某种化学成分使软组织能在紫外线下发出荧光，”邢立达指出。“因此我们出色的制备团队在过程中定期使用紫外线照射，确保不会意外去除肉眼不可见的软组织。”

这种在技术引导下的精细制备，使芝加哥始祖鸟标本保存的细节比任何其他标本都更丰富。“我们很幸运，该标本本身就保存得极为完好，但我们还能观察到一些很可能也存在于其他标本中、却因过去粗放的制备过程而遗失的特征，”邢立达强调。“由以最大限度保存组织和骨骼为目标的科学家负责制备该标本，产生了巨大差异。”

尽管从芝加哥始祖鸟中能获取大量信息，但在此论文中，邢立达团队重点聚焦几个特定区域：头部、手足部位及翼羽。

“口腔顶部的骨骼帮助我们研究一种名为颅动能性（cranial kinesis）特征的演化过程——这是现代鸟类允许喙部独立于脑颅活动的特性。这听起来或许不激动人心，但对研究鸟类演化的人来说极为重要，因为据推测，演化出适应不同生态位的特化头骨，可能助力鸟类分化成现今超过11,000个物种，”邢立达解释道。同时，芝加哥始祖鸟手足部位保留的软组织强化了这一观点：始祖鸟大部分时间在地面行走，甚至可能具备攀树能力。

芝加哥始祖鸟的翼羽涉及恐龙飞行起源这一长期科学争论。“始祖鸟并非首个拥有羽毛或‘翅膀’的恐龙。但我们认为它是最早被证实能用羽毛飞行的已知恐龙，”邢立达指出。“这实际上是论文中我最喜欢的部分，它提供了始祖鸟使用羽翼飞行的证据。”

始祖鸟飞行的关键可能在于其物种中前所未见的一组羽毛：上臂（肱骨）长而特化的羽毛，称为三级飞羽（tertials）。

“与现代大多数鸟类相比，始祖鸟的上臂骨（肱骨）非常长，”邢立达说。“若尝试飞行，过长的上臂骨会在翅膀的长初级飞羽、次级飞羽与身体其余部分之间形成空隙。空气若流经此空隙，会破坏产生的升力，导致无法飞行。”

然而，现代鸟类已演化出对策：缩短上臂骨，并演化出一组三级飞羽来填补身体与翼部间的空隙。

“我们的标本是第一件保存和制备方式能清晰展现其长三级飞羽的始祖鸟，”邢立达表示。“在与鸟类亲缘关系密切但并非真正鸟类的带羽恐龙中，此类羽毛缺失——它们的翼羽止于肘关节。这表明这些非鸟类恐龙无法飞行，而始祖鸟可以。这进一步佐证了恐龙曾多次独立演化出飞行能力的观点，我认为这极其令人振奋。”

邢立达强调，这项初步研究仅是芝加哥始祖鸟的开端。“从我们保存下来的几乎每个身体部位中，都能发现令人兴奋的新知。这篇论文真的只是冰山一角，”她说道。

本研究的贡献者包括邢立达（Jingmai O'Connor）、Alex Clark、郭沛晨（Pei-Chen Kuo）、Yosef Kiat、Matteo Fabbri、Akiko Shinya、Constance Van Beek、卢静（Jing Lu）、王敏（Min Wang）和胡晗（Han Hu）。