月份: 2023 年 10 月

如果你仔細觀察一隻雞的羽毛，你會發現同一隻雞在身體不同部位羽毛的型態有很大的差異，你甚至可以在同一根羽毛內觀察到羽毛型態的不同。仔細觀察大自然中不同的鳥類（如雞、鴕鳥、蜂鳥、企鵝等），您一定會讚嘆羽毛形狀和功能的多樣性是如此地有趣… 因此，人們都想知道鳥類如何以不同的方式飛翔；由中國醫藥大學主導的跨領域研究國際團隊，以多種不同學科的角度探討鳥類進化飛翔的羽毛的奧祕，這項傑出研究成果獲刊登在2019年11月27日全世界最權威的國際期刊《細胞》雜誌（Cell），並以台灣國鳥藍鵲做為封面，飛躍上世界學術舞台。 這是台灣的驕傲；中國醫藥大學校長洪明奇院士於四日上午主持研究成果發表會，他神情愉悅的說，台灣國鳥藍鵲躍上國際頂尖期刊是頭一次，真的不容易，況且，台灣團隊與旅美學者鍾正明院士合作的科學研究，結合了大眾的生活和藝術，的確讓人民有感。 美國南加州大學的鍾正明院士透過視訊方式說：”我們總是想知道鳥類如何以不同的方式飛翔。有些鳥像老鷹一樣乘風飛翔；而有些鳥則需要像蜂鳥一樣迅速拍打翅膀；有些鳥，包括駝鳥和企鵝，根本不會飛。” “這種飛行風格的差異，很大程度上是由於飛行羽毛特性的不同。”鍾院士補充道:”我們希望瞭解飛行羽毛是如何製作的，這樣我們才能更好地瞭解自然，師法自然，並將其建構之原則應用於科技及醫學工程的創新設計。 為了在創新的研究領域中探索，中國醫藥大學整合幹細胞中心組了一個跨領域科學團隊，以多種不同學科的角度探討羽毛，從身體外羽毛的生物物理特性，到皮膚內的幹細胞形成的基本分子生物學，對羽毛進行多面向的研究。研究範圍從無飛行能力的鴕鳥，到可短距離飛行的雞、長距離飛行的鴨、老鷹，以及高頻率飛行的麻雀，他們還研究特殊飛行能力的蜂鳥和企鵝。為了更深入地瞭解羽毛在進化中是如何演變，研究小組還研究了在緬甸的琥珀中發現並保存了近1億年的羽毛。 飛行羽毛由兩個高度適應性的結構模組組成：中央羽軸(rachis)，和週邊羽片(vane)。羽軸是一根由兩種材質複合而成的柱狀結構：中心是多孔的髓質(medulla)，藉由多樣的細胞折疊(cellular origami)，使羽毛保持輕盈，高效率地增加周圍環繞堅硬皮層(cortex)的半徑，從而增加整體羽軸的材料性質。他們的研究表明，演化上形成羽髓、皮質兩個獨立的模組化單元，使當今鳥類以精妙組合方式，達成羽軸整體材質的最佳化，以適應生存環境的挑戰。鳥類得以像老鷹一樣在高空飛翔，像蜂鳥快速振翅並在空中停留，或像企鵝潛入海洋悠游，展現了獨特的羽軸結構設計。 生物物理學家阮文滔博士近一步地揭示，毛囊中的分子信號時空分佈，包括 Bmp 和 Ski，是引導羽軸多樣形態生成的關鍵因子。依附在羽軸旁的是羽片，羽片是羽毛的一部分，由許多柔軟富彈性的羽枝組成，像拉鍊一樣編織在一起，達 成輕量、可恢復、並提供足夠升力的「葉片」。研究人員報告說，羽片的發展使用原理類似於剪紙藝術。這允許單個上表皮薄板，產生一系列不同的分支設計；每個分支帶有許多小鈎子，類似魔鬼氈(Velcro)的機制，允許羽片一起保持在同一平面。第一作者張瑋玲的研究表明，另一個信號分子（Wnt2b）的濃度梯度在這些羽 枝的形成中具有重要的作用。

阮文滔博士解釋說，羽毛多層次的模組化結構，使鳥類能夠適應演化時所遭遇的環境挑戰，並闡明當今鳥類如 何從各自的生態環境中取得優勢。模組化結構的彈性，也允許個別鳥種，依身體部位的不同，發展出具不同功能性的特化羽毛。 為了回顧遠古時期，複雜羽片結構的起源，阮文滔博士與研究人員分析了最近在緬甸發現的琥珀化石。這種琥珀保存了以 前無法發現的精細的三維羽毛結構。他們的研究表明，古代羽毛有著相同的基本結構，但具有更原始的特點。例如，沒有在化石中發現類似魔鬼氈的鈎狀機制，而是使用連續重疊的長羽枝形成羽片。 “我們瞭解了如何將簡單的皮膚轉化為羽毛，如何將原形羽毛結構轉化為絨羽、廓羽或飛行羽毛，以及如何調 整飛行羽毛以適應不同飛行模式所需的生活環境。”鍾正明院士說：”在不同的形態規模上，我們發現，羽毛富於適應性的模組化結構,是其能成功適應不同的新環境基礎原理。” 中國醫藥大學整合幹細胞研究中心主任洪士杰醫師補充說，除了説明瞭解鳥類如何隨著時間的推移適應環境，鳥羽的建築原則，可以啟發未來新穎的仿生應用。他們指出，創新複合材料的發明，可有助於建造輕巧但堅固的無人機、耐用且有彈性的風力渦輪機，或更好的醫療植入物或義肢設備。 此跨領域研究的國際團隊，由中國醫藥大學主導，並得到成大、中研院、興大、亞大、台大、特生中心、海生館等，臺灣研究機構的支持。團隊由美國南加大學鍾正明院士，和臺灣中國醫藥大學整合幹細胞研究中心生物物理學家阮文滔博士共同領導，並獲中國醫藥大學暨醫療體系、科技部，教育部等經費補助。未來的研究將基礎與應用並重: 除將與整合幹細胞研究中心主任洪士杰醫師，進一步探索大自然啟發的生物材料結構原理，以及在仿生材料設計中的應用。研究小組也將更深入地探討分子信號，解密毛囊中如何引導同一群幹細胞，達成複雜的生物結構。

論文連結：https://authors.elsevier.com/a/1a8FUL7PXYX2a 視頻摘要：https://www.youtube.com/watch?v=YKuoVu4aOkg 鳥類是如何進化成飛翔的？自然界的飛行模式中，不同於昆蟲的翅膀、翼龍、飛機機翼，鳥翼由大約 20 個高度可折疊的飛行羽毛組成，每個羽毛由中央軸和週邊羽片組成。這種多層次模組化生物結構，提供了極大的 適應性，能以不同的方式飛行，甚至在水中游泳。一個跨領域國際研究團隊探索飛行羽毛的生物物理學、發展和演化。

原文網址：https://www.cmu.edu.tw/news_detail.php?id=4454