100年前橫空出世的熱河生物群，究竟隱藏著哪些物種起源的秘密
熱河生物群的化石遺存幾乎囊括了中生代向新生代過渡的所有生物門類，反映了地球中生代生物更替的關鍵過程，也是新生代生態體係的搖籃。1923年，在中國遼寧省西部，一個巨大的化石寶庫——熱河生物群橫空出世，震驚世人。熱河生物群是如何被發現的？100年來，它為我們揭開了哪些生命起源與演化的秘密？請聽中國科學院院士、中國科學院古脊椎動物與古人類研究所原所長周忠和在“中國經濟大講堂”上為我們深入解讀。↑ 2013年11月17日，周忠和院士在中科院古脊椎動物與古人類研究所鳥類化石前。 （新華社照片）『這個“化石寶庫”是如何被發現的』什麽是熱河生物群？它是約1.4億年前—2億年前生活在中國大地上的一個古老生物群。因為這個生物群保存了許多精美的化石，為我們研究地球曆史上許多類群的起源、演化提供了非常重要的信息，所以我們把它稱為“化石寶庫”。它也被譽為“20世紀全球最重要的古生物發現之一”。那麽，這樣一個世界級的化石寶庫是如何被發現的呢？這是一個由魚類化石引發的故事。狼鰭魚化石可能是熱河生物群中最早被認識的魚化石，因為它在當地很常見。曆史上有兩位清朝皇帝都與這種魚化石有淵源。一個是康熙皇帝，他在《康熙幾暇格物編：石魚篇》裏，記述了在遼寧西部發現魚化石的經過，並且讓人把化石製作成一台觀硯。另一個是乾隆皇帝。據說乾隆皇帝在巡遊中經常看見魚化石，為此他還寫了一首詩《禦製魚石屏歌》，其中寫道：“水退魚存僵淤泥，歲久土變石理宜。試看易剖片片披，宛然藻潛還浪吹。”實際上，遼西地區的老百姓也經常見到魚化石。我去過一個地方，當地的小山包就叫魚石梁，顯然和魚化石有關。1920年，應北京大學校長蔡元培和中國地質學家丁文江的邀請，美國地質學家和古生物學家葛利普來到北京大學地質係擔任教授，中國最早一批地層古生物學者大都出自他的門下。1923年，他來到遼寧淩源地區研究化石和地層。他首先提出了“熱河係”的概念，那是專指淩源地區含化石的地層。1938年，他又提出了“熱河動物群”的概念。熱河省轄區主要分布在今天的遼寧省、內蒙古自治區、河北省的部分地區。1962年，中科院南京地質古生物所的古生物學家顧知微院士在熱河動物群的基礎上又命名了“熱河生物群”。也就是說，熱河生物群包括熱河動物群和熱河植物群。熱河生物群生活的時期屬於中生代，世界上大多數地方還是海洋，而亞洲東部地區抬升為陸地，因北半球氣候濕潤形成了陸地生物的大爆發，那是我國遼西地區生物物種空前繁榮的時代。當時，遼西的環境可以說是地球生物的天堂，熱河生物群生活在溫暖、潮濕的環境裏，有淡水湖泊，而且森林茂盛。那麽，這片區域後來究竟發生了什麽，導致大量生物突然集體死亡並被迅速埋葬？這些精美的化石是如何形成並被保存下來的呢？這其實和火山活動有密切的關聯。火山噴發後，形成了碎屑流，導致生物瞬間死亡，並且被埋藏下來。大多數情況下，我們發現的化石都保存在與火山灰互存的沉積物裏。但也有一些謎團，比如鳥類、翼龍這些飛行的動物為什麽會被完整地保存，甚至軟組織都被保存下來，這個問題至今還沒有答案。↑ 上圖為滑翔蜥蜴化石標本，長15厘米多；下圖為科研人員製作的滑翔蜥蜴複原圖。 （新華社照片）『鳥類化石裏隱藏著哪些秘密』熱河生物群發現與研究100年來，在其多個化石產地接連不斷地發現了成千上萬件中生代的珍貴鳥類化石，基本上占據了世界上中生代鳥類化石半壁江山。目前已知的最古老的鳥類是發現於德國的始祖鳥，生活在距今大約1.5億年前的侏羅紀時期。熱河生物群發現的化石大概距今1.25億年。據初步統計，熱河生物群發現的鳥類化石有50多種，這些鳥類的個體大小不一，生活習性也不一樣，可以說是代表了始祖鳥出現以來鳥類曆史上一個繁榮發展的階段。熱河生物群的鳥類化石給我們帶來了哪些有關演化的信息呢？現代所有的鳥類都是沒有牙齒的。我們知道，鳥類有一個喙，叫角質喙。那麽，鳥的牙齒是什麽時候退化的？通過研究我們發現，早期鳥類的牙齒存在一定的多樣性，有些鳥類依然保持了尖銳的牙齒，也有些鳥類的牙齒已經完全退化。牙齒的退化在早期鳥類演化中是一個重要的事件。熱河生物群的孔子鳥化石在1995年登上了《自然》雜誌，介紹它的標題就是《從牙齒到喙》，可以說，孔子鳥是當時發現的最早的具有角質喙的鳥類。還有一種鳥叫熱河鳥，它的原始性到目前為止僅次於始祖鳥，盡管它生活的時代比始祖鳥要晚很多。它有一個很長的尾巴，這是一根骨質的長尾巴，而不是現代鳥類常見的尾羽。這麽一根長長的尾巴說明什麽？說明它依然保留了最原始的鳥類或者說鳥類祖先的特征。現代鳥類的另一個特征是會飛行。鳥類都有振翅飛行的能力，這種飛行能力是什麽時候出現的？在熱河生物群的各種鳥類中，飛行能力差異很大。像熱河鳥有一根很長的尾巴，它的飛行能力非常有限。但也有一些鳥像義縣鳥，已經有了發達的飛行器官，比如發達的胸骨，胸骨就是附著飛行肌肉的主要器官。通過這種骨骼形態，我們知道熱河生物群中的有些鳥類已經具備了和現代鳥類幾乎一樣的飛行能力。在熱河生物群中，我們還發現了世界上最早的鳥類胚胎化石，長度約5厘米，和雞蛋差不多。在這個很小的化石裏，保存了非常完整的鳥類骨架。這個胚胎化石的發現有什麽意義呢？在現代鳥類中，不同鳥類的生長和胚胎發育是不一樣的。比如，小雞從蛋殼裏出來後，身上的毛已經長齊了，沒幾天就可以獨立生活。我們把這種類型稱為早成性。而雀形鳥類剛出生的時候往往需要親鳥的哺育，在巢裏要待一個多月。這種胚胎發育的類型叫作晚成性。熱河生物群發現的鳥類胚胎化石代表了早成性的胚胎發育模式，它反映出鳥類為了適應不同的環境有了不同的發育模式，這是鳥類得以進化的一個重要原因。『這些恐龍化石有哪些奇特之處』恐龍是地球演化史上最龐大的一類陸生爬行動物，出現於2.2億年前的三疊紀，繁盛於侏羅紀和白堊紀，於6550萬年前滅絕。迄今為止，世界上已經發現的恐龍化石多達上千種。據統計，中國發現的恐龍化石種類有300多種，是世界上最多的。與其他地方發現的恐龍化石相比，熱河生物群發現的恐龍化石有一個重要的特點，那就是很多恐龍化石保存得非常完整，甚至還保存了一些軟組織，包括羽毛、皮膚等，這是非常罕見的。熱河生物群發現了世界上最小的恐龍，叫趙氏小盜龍，它的成年個體隻有約40厘米長。有趣的是，根據我們對它的腳印的分析，這種恐龍具有爬樹的特征。在熱河生物群裏我們也發現了一些大家熟知的暴龍類恐龍化石，比如中國暴龍、羽王龍等。這顯示了熱河生物群這個時期獸腳類恐龍的多樣性。由於熱河生物群特殊的保存環境，有一些恐龍是被集體保存下來的。比如，有一件鸚鵡嘴龍的化石，這個標本裏共有6隻鸚鵡嘴龍，它們的頭都朝著一個方向，這叫集群死亡。這些小恐龍可能是一種社會性生活的恐龍，碰巧由於遇到一次災難事件，它們同時死亡後又被埋藏在一起。還有一件被命名為寐龍的恐龍化石，這隻恐龍是在睡眠姿態中死亡的。在熱河生物群，很多化石保存了恐龍的一些行為信息，這是很少見的。↑ 短羽始中國羽龍化石。 （新華社照片）在熱河生物群發現的化石裏，還有一類叫翼龍。很多人把翼龍和恐龍相混淆，實際上翼龍和恐龍是完全不同的兩類爬行動物。翼龍代表了脊椎動物中最早飛行的一個類群，它在中生代時期是空中的霸主。那時候，鳥類剛剛開始獲得飛行的能力，而翼龍差不多和恐龍在同一個時代出現，它的滅絕也和恐龍一樣，在白堊紀末期完全滅絕。熱河生物群中發現的翼龍種類很多，有世界上個體最小的翼龍，叫森林翼龍，這麽小的翼龍顯然是生活在樹上的，它可能靠吃植物的果實為生。熱河生物群中還發現了世界上第一枚翼龍蛋化石。『破解三個重大的科學問題』在熱河生物群時期，陸地的生態係統和我們今天熟悉的生態係統之間存在很大的差別。熱河生物群是理解現代陸地生態係統的一把鑰匙，它是現代陸地生態係統雛形出現的一個重要窗口。在對熱河生物群的研究中，我們初步破解了三個重大的科學問題。第一個是被子植物的發現。達爾文曾經對被子植物在白堊紀晚期的突然出現感到非常費解，有人把它稱為“達爾文的討厭之謎”。但是現在看來答案很簡單，就是因為當時缺少化石證據，而這些化石證據在熱河生物群裏得到了很好的彌補。裸子植物隻有根、莖、葉和種子，被子植物卻擁有花和果實。之前普遍認為，中生代是裸子植物的時代，新生代之後才出現了被子植物。被子植物是現代陸地生態係統的重要組成部分。而熱河生物群處在白堊紀，是中生代的晚期，在這裏我們發現了許多特別的裸子植物和被子植物。1億多年前，熱河植物群中占據主導的仍是裸子植物，就像我們把中生代稱為爬行動物時代或者恐龍時代一樣。到了新生代以後，哺乳動物替代了恐龍，在植物中是被子植物替代了裸子植物。雖然熱河植物群仍然是裸子植物占據主導，但是，這裏發現了最古老的開花植物，被譽為“中華第一朵花”。早期被子植物的發現，讓我們了解到現代陸地生態係統在那個時期已經有了最早的開始。第二個被破解的科學問題是我們中耳內的聽小骨是從哪裏來的，這是進化生物學研究領域的一個經典案例。聽小骨是指哺乳動物也包括人類的聽小骨。我們的耳朵分為外耳、中耳和內耳，中耳裏有3塊聽小骨，分別是鐙骨、砧骨和錘骨。人體共有206塊骨頭，聽小骨是其中最小的3塊，它對我們的聽覺是至關重要的。我們要研究的問題是：哺乳動物包括人類有3塊聽小骨，而爬行動物、鳥類和兩棲動物隻有1塊聽小骨，為什麽1塊聽小骨後來變成了3塊？我們通過比較解剖發現，哺乳動物的鐙骨和耳柱骨是從爬行動物繼承而來，錘骨實際上來自爬行動物的下頜，砧骨是來自於爬行動物上頜的一種關節，叫方骨。也就是說，哺乳動物作為聽覺器官的3塊聽小骨，實際上有2塊來自咀嚼器官。進化就是這樣，並不是平白無故地創造了一個新的結構，而是在原有的舊機體的基礎上不斷進化而逐漸形成的。第三個問題是鳥類是如何從恐龍起源的。過去一般認為，鳥類是從爬行動物進化而來的。蜥蜴、蛇、龜、鱷都是我們現在常見的爬行動物，但是顯然，這些爬行動物和現生鳥類之間存在著很大的差別。古生物學研究就是要發現一個接一個的過渡類型，盡可能把生命演化中的細節補充完整，從而讓我們更好地了解生命演化的過程和機製。關於鳥類起源於恐龍，最早在科學假說中就有這種說法。而第一位寫出科學論文、提出鳥類是從恐龍起源的學者是英國生物學家赫胥黎，他是達爾文進化論最主要的支持者。他在1868年發表了這篇論文。現生鳥類最大的一個特征就是有羽毛，過去認為羽毛是鳥類所特有的，對於現生動物來說這種說法依然成立。但是，如果把這個標準放到化石中，恐怕就不一定準確了。為什麽呢？因為在熱河生物群中，我們發現了長羽毛的恐龍。第一件發現的長羽毛的恐龍叫中華龍鳥，它身上是一種絨羽狀的羽毛，大家不確定這種毛發——貌似不分叉的東西是不是真正的羽毛。後來又發現了更多長羽毛的恐龍化石。2003年《自然》雜誌的封麵文章介紹了一種叫顧氏小盜龍的恐龍，它身上不僅有真正分叉的羽毛，而且發現它的前肢和後肢都保留了一些羽毛。有人說它是一種四翼飛行或者滑翔飛行的動物。曾經有學者認為，這些所謂的原始羽毛可能是一種皮下纖維。但是，2010年的時候，中外學者第一次在恐龍的羽毛中發現了顏色的證據。也就是說，通過顯微電鏡，我們發現了中華龍鳥和孔子鳥的原始色素體，從而使我們從科學上複原了羽毛的顏色。這些證據表明，中華龍鳥的原始羽毛確實和現代鳥類的羽毛是同源的。最近，我們還發現孔子鳥的羽毛裏有一種中空的結構。借助現代科學技術，我們可以從宏觀、微觀甚至分子層麵了解鳥類是如何從恐龍一步一步演化而來的。↑ 遼寧西部朝陽鳥化石國家地質公園內展出的小型恐龍卵化石。 （新華社照片）『一個充滿生機、承前啟後的時代』熱河生物群所屬的中生代是一個充滿生機、承前啟後的時代。這裏的化石遺存幾乎囊括了中生代向新生代過渡的所有生物門類，反映了地球中生代生物更替的關鍵過程，也是新生代生態體係的搖籃。熱河生物群發現和研究100年來，除了鳥類和恐龍，還出土了大量魚類、兩棲類動物、爬行動物、昆蟲的化石以及植物化石。熱河生物群發現的兩棲類動物有青蛙、蠑螈，還有很多蜥蜴、龜鱉類爬行動物的化石。尤其是龜鱉類化石和蠑螈的化石，它們生活在水邊或在水裏，被發現時的數量往往非常多。在熱河生物群裏還發現了一些鱘魚類化石，像北票鱘化石是我感到最親切的，因為那是我的碩士論文研究的化石材料。在熱河生物群的昆蟲化石中，我們還發現了昆蟲的擬態現象。有一種古老的竹節蟲，模仿周圍的植物，以達到保護自己的目的。被稱為“活化石”的銀杏樹在那個時代已經存在。不過，銀杏化石的葉子形狀和現代的銀杏樹並不一樣，實際上它們也不屬於同一個屬種，但是我們仍可以籠統地把熱河生物群中的銀杏樹稱為現代銀杏的祖先。熱河生物群隻是我國眾多化石寶庫的一個代表。從前寒武紀到寒武紀、中生代、新生代，再到第四紀的人類化石，中國有很多重要的化石地點。美國《科學》雜誌曾在2001年發表了一個中國的古生物學專題，題目就叫“精美的中國化石：為生命史書增添了新的篇章”，充分顯示了幾十年來中國古生物學研究在國際學術界的影響力。最後，我想引用美國著名生物學家愛德華·威爾遜在《創世記》這本書裏的一段話：“事關人類處境的一切哲學問題，歸根結底隻有三個：我們是誰？我們從哪兒來？我們最終要到哪裏去？但要回答這三個問題，我們必須首先對前兩個問題要有準確的把握。”我認為，古生物學研究對回答前兩個問題起到了至關重要的作用。生命與環境的互動貫穿了地球30多億年的演化曆史，因此，古生物學還為我們認識地球的演化以及生物多樣性的演變，理解未來人類與自然相互協同演化的關係，提供了很多重要的曆史的借鑒和思考。來源：上觀作者：周忠和編輯：諸鵬飛審核：盛捷
2024-01-02
