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        熱河生物群:上億年前物種起源的秘密

        2024-03-20 09:56:45周忠和
        讀報參考 2024年6期

        周忠和

        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(fā)現(xiàn)的?100年來,它為我們揭開了哪些生命起源與演化的秘密?

        這個“化石寶庫”是如何被發(fā)現(xiàn)的

        什么是熱河生物群?它是約1.4億年前至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,為我們研究地球歷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(jì)全球最重要的古生物發(fā)現(xiàn)之一”。

        那么,這樣一個世界級的化石寶庫是如何被發(fā)現(xiàn)的呢?

        這是一個由魚類化石引發(fā)的故事。狼鰭魚化石可能是熱河生物群中最早被認(rèn)識的魚化石,因為它在當(dāng)?shù)睾艹R?。歷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》里,記述了在遼寧西部發(fā)現(xiàn)魚化石的經(jīng)過,并且讓人把化石制作成一臺觀硯。另一個是乾隆皇帝。據(jù)說,乾隆皇帝在巡游中經(jīng)??匆婔~化石,為此他還寫了一首詩《御制魚石屏歌》,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?!?/p>

        實際上,遼西地區(qū)的老百姓也經(jīng)常見到魚化石。筆者曾去過一個地方,當(dāng)?shù)氐男∩桨徒恤~石梁,顯然和魚化石有關(guān)。

        1920年,應(yīng)北京大學(xué)校長蔡元培和中國地質(zhì)學(xué)家丁文江的邀請,美國地質(zhì)學(xué)家和古生物學(xué)家葛利普來到北京大學(xué)地質(zhì)系擔(dān)任教授,中國最早一批地層古生物學(xué)者大都出自他的門下。1923年,他來到遼寧凌源地區(qū)研究化石和地層。他首先提出了“熱河系”的概念,那是專指凌源地區(qū)含化石的地層。1938年,他又提出了“熱河動物群”的概念。當(dāng)時的熱河省轄區(qū)主要分布在今天的遼寧省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、河北省的部分地區(qū)。

        1962年,中科院南京地質(zhì)古生物所的古生物學(xué)家顧知微院士在熱河動物群的基礎(chǔ)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于中生代,世界上大多數(shù)地方還是海洋,而亞洲東部地區(qū)抬升為陸地,因北半球氣候濕潤形成了陸地生物的大爆發(fā),那是我國遼西地區(qū)生物物種空前繁榮的時代。當(dāng)時,遼西的環(huán)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(huán)境里,有淡水湖泊,而且森林茂盛。

        那么,這片區(qū)域后來究竟發(fā)生了什么,導(dǎo)致大量生物突然集體死亡并被迅速埋葬?這些精美的化石是如何形成并被保存下來的呢?這其實和火山活動有密切的關(guān)聯(lián)?;鹕絿姲l(fā)后,形成了碎屑流,導(dǎo)致生物瞬間死亡,并且被埋藏下來。大多數(shù)情況下,我們發(fā)現(xiàn)的化石都保存在與火山灰互存的沉積物里。但也有一些謎團,比如鳥類、翼龍這些飛行的動物為什么會被完整地保存,甚至軟組織都被保存下來,這個問題至今還沒有答案。

        破解三個重大的科學(xué)問題

        在熱河生物群時期,陸地的生態(tài)系統(tǒng)和我們今天熟悉的生態(tài)系統(tǒng)之間存在很大的差別。熱河生物群是理解現(xiàn)代陸地生態(tài)系統(tǒng)的一把鑰匙,它是現(xiàn)代陸地生態(tài)系統(tǒng)雛形出現(xiàn)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(xué)問題。

        第一個是被子植物的發(fā)現(xiàn)。達(dá)爾文曾經(jīng)對被子植物在白堊紀(jì)晚期的突然出現(xiàn)感到非常費解,有人把它稱為“達(dá)爾文的討厭之謎”。但是現(xiàn)在看來答案很簡單,就是因為當(dāng)時缺少化石證據(jù),而這些化石證據(jù)在熱河生物群里得到了很好的彌補。

        裸子植物只有根、莖、葉和種子,被子植物卻擁有花和果實。之前普遍認(rèn)為,中生代是裸子植物的時代,新生代之后才出現(xiàn)了被子植物。被子植物是現(xiàn)代陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。而熱河生物群處在白堊紀(jì),是中生代的晚期,在這里我們發(fā)現(xiàn)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(jù)主導(dǎo)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。到了新生代以后,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(jù)主導(dǎo),但是,這里發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn),讓我們了解到現(xiàn)代陸地生態(tài)系統(tǒng)在那個時期已經(jīng)有了最早的開始。

        第二個被破解的科學(xué)問題是我們中耳內(nèi)的聽小骨是從哪里來的,這是進(jìn)化生物學(xué)研究領(lǐng)域的一個經(jīng)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(nèi)耳,中耳里有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(guān)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、鳥類和兩棲動物只有1塊聽小骨,為什么1塊聽小骨后來變成了3塊?我們通過比較解剖發(fā)現(xiàn),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,砧骨是來自于爬行動物上頜的一種關(guān)節(jié),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(jìn)化就是這樣,并不是平白無故地創(chuàng)造了一個新的結(jié)構(gòu),而是在原有的舊機體的基礎(chǔ)上不斷進(jìn)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(rèn)為,鳥類是從爬行動物進(jìn)化而來的。蜥蜴、蛇、龜、鱷都是我們現(xiàn)在常見的爬行動物,但是顯然,這些爬行動物和現(xiàn)生鳥類之間存在著很大的差別。古生物學(xué)研究就是要發(fā)現(xiàn)一個接一個的過渡類型,盡可能把生命演化中的細(xì)節(jié)補充完整,從而讓我們更好地了解生命演化的過程和機制。

        關(guān)于鳥類起源于恐龍,最早在科學(xué)假說中就有這種說法。而第一位寫出科學(xué)論文,提出鳥類是從恐龍起源的學(xué)者是英國生物學(xué)家赫胥黎,他是達(dá)爾文進(jìn)化論最主要的支持者。他在1868年發(fā)表了這篇論文?,F(xiàn)生鳥類最大的一個特征就是有羽毛,過去認(rèn)為羽毛是鳥類所特有的,對于現(xiàn)生動物來說這種說法依然成立。但是,如果把這個標(biāo)準(zhǔn)放到化石中,恐怕就不一定準(zhǔn)確了。為什么呢?因為在熱河生物群中,我們發(fā)現(xiàn)了長羽毛的恐龍。第一件發(fā)現(xiàn)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(fā)——貌似不分叉的東西是不是真正的羽毛。后來又發(fā)現(xiàn)了更多長羽毛的恐龍化石。2003年《自然》雜志的封面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(fā)現(xiàn)它的前肢和后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(jīng)有學(xué)者認(rèn)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(xué)者第一次在恐龍的羽毛中發(fā)現(xiàn)了顏色的證據(jù)。也就是說,通過顯微電鏡,我們發(fā)現(xiàn)了中華龍鳥的原始色素體,從而使我們從科學(xué)上復(fù)原了羽毛的顏色。這些證據(jù)表明,中華龍鳥的原始羽毛確實和現(xiàn)代鳥類的羽毛是同源的。最近,我們還發(fā)現(xiàn)孔子鳥(一種古鳥屬,化石遺跡在熱河發(fā)現(xiàn),生活在距今約1.25億年到1.1億年前)的羽毛里有一種中空的結(jié)構(gòu)。借助現(xiàn)代科學(xué)技術(shù),我們可以從宏觀、微觀甚至分子層面了解鳥類是如何從恐龍一步一步演化而來的。

        熱河生物群只是我國眾多化石寶庫的一個代表。從前寒武紀(jì)到寒武紀(jì)、中生代、新生代,再到第四紀(jì)的人類化石,中國有很多重要的化石地點。美國《科學(xué)》雜志曾在2001年發(fā)表了一個中國的古生物學(xué)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(xué)研究在國際學(xué)術(shù)界的影響力。

        (摘自《解放日報》)□

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