独立进化的飞行计算机″：翼龙如何在无前例基础上打造神经中枢

抖音推荐 2025年11月28日 16:36 1 admin

信息来源：https://interestingengineering.com/science/fossil-pterosaurs-flight-computers

在主宰地球天空超过1.5亿年的历程中，翼龙凭借什么样的神经系统实现精准飞行？这个困扰古生物学家数十年的谜题因巴西一块2.33亿年前的化石而获得突破性进展。俄亥俄大学解剖学教授劳伦斯·威特默领导的国际研究团队在《当代生物学》杂志发表最新成果，通过分析翼龙近亲伊克萨勒佩顿的颅骨化石，揭示了这群最早的飞行脊椎动物如何从零开始构建自己的"飞行计算机"。研究表明，翼龙的大脑虽然远小于现代鸟类，却通过独特的神经结构实现了高超的飞行能力，这挑战了长期以来关于飞行必然导致大脑扩张的理论假设。

伊克萨勒佩顿属于拉格佩顿科，这是一类小型主龙类爬行动物，生活在三叠纪晚期距今约2.36亿至2.12亿年前。拉格佩顿科化石发现于阿根廷、美国、巴西和印度等地，体型通常只有数十厘米长，具有细长的四肢和轻盈的骨骼。长期以来，这类动物被认为是早期恐龙形类的边缘成员。然而2020年的系统发育分析彻底改变了这一认知，证实拉格佩顿科实际上是翼龙的姊妹群，两者共同构成翼龙形类。

2016年发现于巴西圣玛丽亚组地层的伊克萨勒佩顿化石保存了珍贵的颅骨元素，这在拉格佩顿科中极为罕见。研究团队利用高分辨率微型CT扫描技术，从化石中提取出大脑和内耳的三维数字模型，这种被称为颅内模的虚拟重建，能够复原已灭绝动物大脑的外部形态和关键解剖结构。为了建立演化背景，团队还扫描了30多个物种的化石和现生标本，包括早期翼龙、三叠纪主龙、恐龙、鸟类和鳄鱼，绘制出一幅完整的神经解剖演化图谱。

重建晚三叠世地貌（约2.15亿年前）。马修斯·费尔南德斯

数据揭示出令人意外的模式。伊克萨勒佩顿的大脑形态介于原始主龙和翼龙之间，视叶已经显著扩大，显示出良好的视觉处理能力。这一特征预示了翼龙强大视觉系统的演化基础。然而，伊克萨勒佩顿缺乏翼龙最具标志性的神经特征——小脑绒球的极度膨大。小脑绒球是小脑的一个特化区域，负责处理来自翅膀和身体的感觉信息，整合视觉、前庭和本体感觉输入，从而实现飞行中的姿态稳定和运动协调。

从地面到天空的神经飞跃

翼龙的小脑绒球在所有已知的飞行脊椎动物中都异常发达。早期对翼龙颅内模的研究就注意到这一特征，将其视为飞行适应的关键标志。2003年威特默团队在《自然》杂志发表的经典论文详细描述了翼龙大脑的解剖学特征，指出尽管总体积相对较小，翼龙仍具有扩大的端脑和小脑，特别是绒球的尺寸远超预期。这些结构的组合表明翼龙具备复杂的感觉运动整合能力。

鸟类同样拥有发达的小脑绒球，但其演化路径与翼龙截然不同。鸟类从兽脚类恐龙继承了一套基本的大脑构造，这套系统在它们的祖先还在地面上奔跑时就已初具雏形。化石记录显示，一些非鸟类兽脚类如伤齿龙科和驰龙科已经发展出扩大的端脑、增强的视叶和相对较大的小脑。当鸟类演化出飞行能力时，它们只需在已有基础上进一步优化这些结构，特别是增大绒球以应对空中运动的特殊需求。

相比之下，翼龙的祖先在神经解剖上更接近原始主龙，缺乏鸟类祖先那样的"预适应"优势。伊克萨勒佩顿的大脑虽然具有扩大的视叶，但整体结构仍然简单，小脑绒球未见特化。这意味着翼龙在演化飞行能力的过程中，必须从接近零的起点构建全新的神经控制系统。研究者形容这一过程为"从零开始制造自己的飞行计算机"，是一次完全独立于鸟类路径的神经演化实验。

这种趋同演化在细节上展现出惊人的相似性。尽管翼龙和鸟类的大脑体积差异显著，两者在整体形态上却高度相似。最新研究发现，翼龙的大脑形状与小型非鸟类似鸟类恐龙如伤齿龙科和驰龙科更为接近，而非与早期翼龙或原始主龙相似。这种形态趋同暗示，飞行这种运动方式对神经系统施加了强大的选择压力，迫使不同谱系沿着相似的方向演化。扩大的视叶用于处理快速飞行中的视觉信息，增强的小脑用于运动协调，膨大的绒球专门处理翅膀和平衡的感觉反馈——这些特征在飞行动物中反复出现。

小脑袋的大智慧

右侧图片显示的是他们大脑的三维重建模型。图片来源：Rodrigo Müller、Mario Bronzati、Matheus Fernandes

翼龙大脑的绝对尺寸和相对尺寸都远小于鸟类。早期研究估算，相同体重的翼龙大脑重量约为鸟类的三分之一到一半。这一差异长期被解读为翼龙认知能力不如鸟类的证据。然而新研究提出了不同的解释：大脑尺寸与飞行能力本身并无必然联系。威特默强调，翼龙用更小的大脑实现了与鸟类相当的飞行技巧，这证明大脑扩张并非飞行的必要前提。

那么是什么因素驱动了鸟类大脑的扩张？研究者认为答案在于复杂的社会行为和认知能力。现代鸟类不仅会飞，还表现出高度复杂的社会结构、鸣叫通讯、工具使用、记忆和问题解决能力。这些行为需要发达的端脑，特别是纹状体和前脑皮质的扩张。翼龙是否具有类似的认知能力尚不清楚。化石证据显示一些翼龙可能具有社群行为和亲代抚育，但其复杂程度可能不及鸟类。

大脑尺寸的差异也可能反映代谢策略的不同。鸟类是温血动物，拥有极高的代谢率和能量预算，这为维持大型大脑提供了物质基础。翼龙的生理特征仍有争议，但多数证据指向一种介于冷血和温血之间的中间状态。相对较低的代谢率可能限制了其支撑大脑的能力。同时，翼龙的飞行方式也与鸟类不同。许多翼龙可能更依赖滑翔而非持续扑翼飞行，这种运动模式对精确的神经控制要求较低。

研究还揭示了大脑演化的时间模式。翼龙的飞行专用脑结构——特别是膨大的绒球——出现在翼龙起源的最初阶段，距今约2.2亿年前的晚三叠世。这意味着神经系统的关键改造与飞行能力的获得几乎同步发生。相比之下，翼龙大脑的总体积扩张主要发生在白垩纪，距离飞行起源已有数千万年。这种模式暗示，飞行所需的基本神经机制可以在相对较小的大脑中实现，而大脑整体扩张可能服务于其他功能。

拼图中的新块

伊克萨勒佩顿的发现填补了关键的演化空白。在此之前，翼龙最早的化石记录来自晚三叠世晚期的Eudimorphodon和Peteinosaurus，距今约2.15亿年，这些动物已经具备完整的飞行适应特征。翼龙如何从地面生活的祖先演化为飞行者，这个过程长期笼罩在迷雾中。拉格佩顿科的发现和重新定位提供了关键线索。

拉格佩顿类的骨骼形态显示出向攀爬和跳跃运动方式的适应。它们具有细长的后肢、灵活的踝关节和可能用于抓握的前肢。这些特征暗示它们可能生活在树木环境中，通过在树枝间跳跃移动。从攀爬跳跃到滑翔，再到主动飞行，这是一条许多研究者推测的演化路径。伊克萨勒佩顿的大脑特征支持这一假说——增强的视觉能力有助于在复杂的三维环境中定位，而绒球的缺失表明它尚未发展出控制翅膀运动的神经机制。

然而，从伊克萨勒佩顿到最早的翼龙之间仍有1000多万年的时间空白。在这期间发生了什么？是否存在具有原始翅膀但尚未完全掌握飞行的过渡物种？这些问题仍待化石记录的进一步完善。研究团队呼吁在三叠纪晚期地层中开展更系统的化石搜索，特别是在巴西、阿根廷和美国西南部等已知产出拉格佩顿类的区域。

这项研究也为理解飞行的多重起源提供了新视角。在脊椎动物历史上，飞行至少独立演化了四次：翼龙、鸟类、蝙蝠，以及可能具有滑翔能力的某些恐龙如小盗龙。每次演化都采取了不同的解剖学方案——翼龙用延长的第四指支撑膜翼，鸟类用羽毛覆盖的前肢，蝙蝠则在四指之间展开薄膜。神经系统的演化路径同样各具特色，但趋同于相似的功能模块：增强的视觉处理、精密的运动控制、发达的平衡感知。

飞行是进化史上最引人注目的创新之一，它不仅改变了动物的运动方式，更重塑了整个生态系统。翼龙在中生代的天空中占据主导地位超过1.5亿年，演化出从麻雀大小到翼展超过10米的巨大多样性。它们捕食鱼类、昆虫和小型陆生动物，在海岸、湖泊、森林和沙漠中繁衍生息。这一切的基础是一套精巧的神经控制系统，而现在我们终于开始理解这套系统是如何建立的。

未来的研究将继续追踪翼龙大脑演化的细节。更多三叠纪和侏罗纪早期化石的发现将帮助绘制更精确的演化轨迹。先进的成像技术如同步辐射CT可以揭示化石中更微小的神经结构。与现代动物的比较神经解剖学研究将阐明不同脑区的功能意义。从一块2.33亿年前的头骨到天空霸主的完整故事，古生物学家仍在拼凑这幅宏大图景的每一块碎片。