恐龙跑步的步态可揭示鸟类飞行的进化历史

早期的有翼恐龙无法飞行，但它们可以奔跑。现在，在机器恐龙和戴着人工翅膀的幼年鸵鸟的帮助下，一项研究表明，恐龙的奔跑步态致使其翅膀拍打，这可能是鸟类飞行进化前夕的情景。

尾羽龙是一种孔雀大小的恐龙，有着羽毛状和翼状的前肢，生活在大约1.25亿年前。科学家在5月2日的PLOS Computational Biology网站上报告称，此恐龙若以每秒2.5至5.8米的速度运行会使其身体产生振动，使其翅膀猛烈地晃动。如果的确如此，那么可能表明一些恐龙必须在它们能够飞行之前先能够奔跑——这为最早的飞行鸟类究竟是扑动翅膀还是展翅滑翔的长期争论增添了几道新的波澜。

上图：尾羽龙还原图

一些研究人员认为，生活在大约1.5亿年前的原始鸟类，如始祖鸟，其羽毛中纤细的轴经受不了强力的扑动，因此认为这种动物可能在树木之间滑行。其他研究人员分析早期有翼恐龙，例如生活在大约1.2亿年前的小盗龙，其翅膀长度，轻盈的身体和强大的后肢，表明这些早期的飞行者可能已经能够跃入空中而不需要滑行。最近一项关于始祖鸟翅膀的研究发现，除了羽毛之外，它的上肢骨骼足够坚固，能够承受短暂的主动扑翼飞行。

这项新研究采用了不同的方法，从对早期飞行类恐龙的解剖学转向了无法飞行的恐龙——虽然这些恐龙有一对早期形式的翅膀。 尾羽龙跟始祖鸟相比就像鸵鸟跟麻雀一样，身体太大，不大配合它那对迷你的翼状前肢。但是跟始祖鸟一样，它是一种手盗龙，这个类别包括了鸟类和非鸟类恐龙的群体。尾羽龙也有几种鸟类特征，包括前肢上跟现代鸟类的羽毛类似的羽毛状体毛，羽支从中央羽管向侧面展开。

上述研究的作者之一，北京清华大学机械工程学者赵景山说，像现代鸵鸟或鸸鹋一样，尾羽龙可能跑得很快。 这些因素使得这种恐龙成为检验奔跑如何在飞行演变中发挥作用的合适候选。

研究团队希望看到尾羽龙跑步的步态是如何带动其前肢的，例如可能会让其前肢不由自主地扑动。假设如果振动足够强，翅膀足够大且足够强，这种扑动就可以产生足够的升力使其整个身体离开地面。

这是一个机械问题，因此研究人员采用了机械学的方法。在清华大学机械工程学者Yaser Saffar Talori的带领下，该团队将恐龙视为一个简化的质量和弹簧系统。研究人员将恐龙划分为不同的质量部分——身体，左、右翼，右腿和左腿，颈部和头部以及尾部——然后设想每一块的质量部分都通过弹簧连接到其他部分。跑步引起的撞击会在整个身体产生振动。

上图：简化了的机械学尾羽龙模型

根据其骨架比例，该团队估计尾羽龙可以达到每秒约8米的最大奔跑速度。但模拟表明，即使在每秒约2.5至5.8米的较低速度下，恐龙的步态也会产生足够强烈的振动，导致它的翅膀拍打。

机器恐龙和活鸵鸟将这个估算付诸了实践。在制作出了真身大小的机器尾羽龙后，研究人员将其置于跑步机上。他们还找来了几只幼年鸵鸟，每只鸵鸟体重与中等重量的尾羽龙相同，约为5公斤。配有传感器的人造翅膀可以检测升力、推力或阻力，然后对其奔跑状态进行了观察。该团队还在此人造翅膀上测试了五种不同的羽毛尺寸。

研究表明，这些额外的测试验证了模拟的结果：尾羽龙会在它运行时扑动翅膀。人造鸵鸟翼试验表明，羽毛越长，鸵鸟的升力就越大，尽管它们从来没有得到足够的升力来实际离开地面。这一结果表明，这种被动的翅膀扑动可能是后来主动翅膀扑动的演化前兆。

上图：机器尾羽龙

对此结果，其他研究者并不完全肯定。在第一只鸟类祖先（例如始祖鸟）开始飞行之后，尾羽龙生活了大约2500万年，因此恐龙不是鸟类的直接祖先，不能将其形态视为祖先鸟的100％等效模型。

另有学者不相信此研究能够说明尾羽龙必须在跑步时扑动它的翅膀，因为此研究将鸟类简化为质量和弹簧，而活的动物远比这复杂得多。例如，动物可能通过使用肌肉将前肢靠近身体来避免被动扑动造成的阻力。

被动扑动可能只是鸟类在飞行进化中两个更大的里程碑——双足奔跑和主动扑动——之间的一个过渡进程。