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琥珀中的恐龙时代

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记者 白竟楠 供图 邢立达(除署名外)

一只毛茸茸的小恐龙在琥珀中留下了自己最后的一瞬,一亿年后, 成为人类手中恐龙时代最真的物件。从今往后,我们也算看过“真”恐龙的样子了。

▲琥珀中的恐龙标本

2016年12月9日凌晨,中国地质大学(北京)的邢立达博士在社交平台上留下了上面这段充满温情的感慨。

就在这天,中加英美等国的古生物学家宣布,他们发现了有史以来第一件琥珀中的恐龙标本。这项由邢立达博士与加拿大萨斯喀彻温省皇家博物馆的瑞安·麦凯勒教授领衔的研究,论文于北京时间12月9日凌晨发表于《细胞》出版集团旗下的生物学著名刊物《当代生物学》(Current Biology)上。消息一出,受到了中外媒体、古生物爱好者的密切关注。

琥珀中有恐龙?在古生物学中,这恐怕是异想天开。但大自然就是喜欢与人类开玩笑,这一次,琥珀中真的发现了恐龙。

邢立达表示,目前还在深挖这个标本的信息,对琥珀已经做了纳米级别的扫描,正在重建其3D模型,由于数据巨大,所以要耗费较长的时间,最终有望获得一些软组织的形态特征,比如肌肉,血管等。

误打误撞淘到的“宝贝”
 

▲邢立达(右)和瑞安·麦凯勒教授

早在今年6月,邢立达和麦凯勒的团队公布琥珀中首次发现古鸟类的记录,就引起过广泛的关注。他们也曾在琥珀中发现过一些较为特殊的羽毛,但无法确定这些羽毛是来自什么动物。邢立达说:“以前在琥珀里发现的标本包括可能属于恐龙的孤立的羽毛,但没有可以识别的身体组分,所以一直有争议。”

事实上,页岩中的一些恐龙化石也保存有羽毛,但这种保存方式只能留下相对有限的细节。

“在发现古鸟类翅膀之后,我意识到,有着类似尺寸的非鸟小恐龙,也是有很大的几率会出现在琥珀之中的”,邢立达博士回忆道。事实上,没有缅甸身份证明的外国人很难被允许进入矿区,违规进入甚至会有生命危险。做研究所用的琥珀,往往是邢立达等人在政府控制区的密支那市场淘来的。

“我或者我的同事会定期访问密支那(缅甸)与腾冲(中国)的琥珀集市。从2013年开始,我们开始关注缅甸琥珀里出现的脊椎动物,主要是孤立的羽毛与蜥蜴。

2015年,有一位长期合作的中间人给我们展示了一件标本,目前国内外研究缅甸琥珀的学者的研究材料基本都是这样来的。那是一段毛茸茸的尾巴,打眼一看像极了一颗扫帚菜。但是因为能看到一些非常纤细的小羽枝结构,我当时就认为这是属于脊椎动物的琥珀,并不是植物,已经猜到不是比较原始的古鸟类的尾巴就是恐龙的尾巴,结果果然是恐龙的尾巴!这个宝贝就是这样误打误撞地被找到的。”邢立达说。

虽然只有一段尾巴,但是,“这是世界上第一个琥珀恐龙骨架标本。” 邢立达不无自豪地说。也就是说,这是人类首次有机会在琥珀中见到非鸟恐龙的化石。

▲根据琥珀复原的手盗龙类恐龙绘图 :张宗达与刘毅

缅甸琥珀里总有重大发现
 

▲缅甸的琥珀矿区 :张宗达与刘毅

标本来自著名的琥珀产区之一,缅甸北部克钦邦胡康河谷。这个地方的琥珀距今约9900万年,属于白垩纪中期的诺曼森阶。在矿区,当地人常以大象为交通工具。

又是缅甸,为什么缅甸出产的琥珀中总会有这么多的重大发现呢?

缅甸琥珀主要产自缅甸北部克钦州胡康河谷,属热带雨林气候,当地有非常多的森林和巨大的树木,所以会产生很多黏稠的树脂。

独特的地理和气候条件导致了两个结果:一是生物种类繁多,二是各种生物被树脂包裹,并以琥珀的形式保存至今的概率比较大。

单单是在近几年,仅我国的研究人员就从缅甸琥珀中先后发现了许多种远古时代的动植物标本。距离现在最近、也是比较引起关注的有:2015年4月,中科院南京地质古生物研究所的专家们在研究缅甸琥珀时发现:一只6毫米大的介壳虫妈妈,卵囊里“睡”着55个介壳虫宝宝,还有5个刚分娩出来。这是目前发现的最早的成虫、幼虫、卵在一起保存的昆虫化石;同年12月,中国科学院南京地质古生物研究所硕士研究生张青青在副研究员王博和研究员张俊峰指导下,在白垩纪缅甸琥珀中发现了拟寄生的虻类昆虫,属于双翅目独须虻科,将其命名为“夏氏针虻”;2016年6月,同样是在胡康河谷出产的琥珀中,邢立达博士的团队首次发现了恐龙时期的鸟类。

在古代,缅甸北部受中国控制,进贡给天子,当时的缅甸琥珀称为中国琥珀。直到1836年,才有欧洲人首次进入胡康河谷的琥珀产地。1891-1892年,印度地质学家采集了一些琥珀标本,根据其出产的地层将其时代定为下中新世,这些琥珀标本后来被命名为缅甸琥珀。但是英国人科克雷尔第一个从琥珀的虫子中意识到这些琥珀可能不是中新世而是更老的白垩纪。之后又有科学家根据琥珀内的虫子认为是始新世或古新世。后来经过一批昆虫学家从中生代特有的科和亚科,逐渐在争议中确定了缅甸琥珀属于白垩纪。

2012年,中国地质大学的施光海教授团队通过琥珀内的火山灰等物质确定了缅甸琥珀的确切年代在9879万年左右,属于典型的白垩纪晚期。

没有“尾综骨”,它确实是恐龙不是鸟
 


 

▲郝氏近鸟龙(作者:赵闯)
 

“标本非常小,尾巴展开后长度约为6厘米,推测全身长度为18.5厘米。”邢立达介绍说,“尾椎延长,而且没有像现代鸟类和它们的近亲一样融合成一根柱状体(也就是尾综骨)。不太发达的尾羽也表明我们的标本在兽脚类恐龙演化树上处于较低的位置(可能是基干手盗龙类)。”正是这些特征表明这是非鸟恐龙标本。

尽管从科学角度来看,通过蚊子肚子里的恐龙血来克隆恐龙根本不可能实现,但科幻电影《侏罗纪公园》中的这一桥段一直是众多恐龙迷心中的“最终幻想”。如今我们似乎不再需要“幻想”,因为琥珀的特殊性,我们在琥珀中见到的恐龙与其生前的形态几乎一模一样。

▲中侏罗世赫氏近鸟龙化石

“我研究恐龙数十年,并不曾想过,有朝一日能看到如此‘新鲜’的恐龙。”论文的作者之一,加拿大皇家科学院院士、阿尔伯塔大学菲利普·柯里教授说。琥珀中的恐龙标本保存得如此完好,是研究古生物演化的科学研究者们梦寐以求的。

这件标本乍一看接近黑色,但在适宜的光照条件下,我们可以发现标本的背面有着栗棕色的羽毛,而腹面则是苍白或几乎白色的羽毛。这种上深下浅的保护色在很多现生动物身上都存在。

▲邢立达博士正在展示恐龙琥珀标本(新华社)

它的名字——“伊娃”

这段毛茸茸的尾巴包括了至少9个尾椎,研究者们给这件标本起了一个昵称叫“伊娃”。

有趣的是,“伊娃”也是邢立达读硕士时的导师夫人的名字,她是丹麦一位非常优秀的古植物学家。

从伊娃标本的尾巴骨骼形态上看,它与典型的非鸟虚骨龙类恐龙(coelurosaurs)类似,而区别于典型的古鸟类;从羽毛上看,标本可归属于基干手盗龙类(maniraptorans)。手盗龙类是虚骨龙类的一个演化支,主要包括了阿瓦拉慈龙类、窃蛋龙类、镰刀龙类、恐爪龙类、鸟类等,这些恐龙的一个共同特征为手掌能够折叠。

手盗龙类中不乏一些非常小的个体,比如生活在1.6亿前的中国华北的近鸟龙,近鸟龙的体长仅34厘米,重约110克,是一种拥有飞羽的小型恐龙。伊娃标本的尺寸与近鸟龙较为接近。此外,伊娃标本尾椎腹侧明显的沟槽结构和许多虚骨龙类相似,但还没有在长尾鸟类中报道过。

看清形态,CT、X射线都用上了

已经过去了9900万年之久,尾部的颜色难道不会“年老色衰”吗?是如何确定颜色的呢?

瑞安·麦凯勒说:“尾羽中还保存着可以辨认的色素痕迹。我们针对琥珀羽毛做出的最精细的研究之一就是用标准显微镜观察色素的密度和分布。”

▲伊娃标本
 

▲羽支分支结构的特写

可见色彩可能会因为过去9900万年间的热度、压力和化学改变而发生变化,但色素密度和分布可以和包裹在树脂中的现代鸟类羽毛做直接对比。“在这个标本中,尾部下方的羽毛几近透明,生前应该是白色或苍白色,而尾部商标名的羽毛呈栗棕色,颜色可能有所变化,但肯定深于下表面的颜色。” 瑞安·麦凯勒进一步解释说。

中国科学院动物所副研究员白明博士和中国科学院高能物理研究所副研究员黎刚博士介绍说,研究团队获取标本之后,综合运用了多种无损成像和分析手段来研究标本,包括中科院动物所的显微CT、北京同步辐射装置(BSRF)的硬X射线相衬CT、X射线荧光成像和X射线近边吸收谱、上海同步辐射装置的硬X射线相衬CT等。通过对CT数据的重建、分割和融合,无损得到了隐藏在羽毛内部的尾部脊椎的高清3D形态。

▲微CT展示尾部的骨骼与羽干细节

小羽毛解决了大命题

“羽毛形态是本次研究的重点之一。”瑞安·麦凯勒教授说道。伊娃标本保存了非常精致的羽毛形态学细节,包括其尾部上羽毛与羽囊的排列方式,微米级的羽衣特征。

羽毛的分支结构是羽毛演化中出现的独特特征。

伊娃具有发达的羽支和羽小支,也显示出了羽支如何相互融合形成侧边长有羽小支的羽轴。在接近羽毛尖端的地方,羽支和羽轴很难区分。即使是在羽毛基底部,它们的区别也不是非常明显。有关现代鸟类羽毛演化的研究中也发现了这种生长形式,但化石中还从没出现过。

“我们的新标本不仅解决了羽毛为什么会演化出来这个大命题,而且还具体地呈现出了现代鸟类羽毛(三层分支)的形成过程。羽轴的演化为长长的片状羽毛创造了条件” ,瑞安·麦凯勒说,“这种羽毛不仅可以调节体温、提供伪装或视觉信号,还拥有更强的飞行控制能力。”

要知道,羽毛演化发展模式中一直有一个悬而不决的问题,即,是羽小支先演化出来,还是羽轴先演化出来?伊娃的特征为羽支融合形成羽轴时已具有羽小支这一羽毛发育模型提供了依据。

徐星研究员补充道:“从羽毛演化角度看,伊娃标本要更原始一些,介于似鸟龙类与尾羽龙类之间。”

“伊娃”如此鲜活,琥珀功不可没

琥珀是树脂经地质作用所形成的化石。“树脂”指的是部分植物专门分泌出来对抗捕食者和病原体的萜类化学物质,不是割开树皮就能流出来的树汁(前者是类似油脂的物质,而后者是植物体内输送营养的液体,大部分是水)。树脂流出之后,除了失去挥发性物质并硬化之外,还会逐渐发生交联、聚合和环化等反应,最终成为化石。

因为树脂黏度非常高,所以沿树流下的时候很容易裹挟上小动物和植物叶片。但更重要的是,树脂能够让被包裹的组织快速脱水,从而极大地抑制了细菌和真菌对生物尸体的分解。一些保存非常精美的琥珀化石甚至能留存亚细胞结构,能够观察到细胞核、线粒体和叶绿体的存在。

能复制出一个恐龙吗?

研究团队通过BSRF的同步辐射X射线荧光成像获得了化石断面的微量元素分布图,其中钛、锗、锰、铁等元素的分布与化石的形态吻合度很高,蕴含着丰富的埋藏学信息。

“伊娃标本的断面出现了高度富集的铁元素,近边吸收谱分析表明,其中80%以上的铁样本为二价铁,这些是血红蛋白和铁蛋白的痕迹。”黎刚博士解释道。

“我们能从这个标本里看出它还残留一些来自血液中或腐败产物中的铁,它们保存在骨骼周围的碳膜中(即软组织残骸)。但它也让我们看到了未来从类似标本中分析出蛋白质碎片或色素的希望,这或许可能让我们获得造迹者保存方式、亲缘关系或初始颜色的细节。” 瑞安·麦凯勒这样说。

但是,很可惜,标本里没有可能保留着恐龙的DNA,电影《侏罗纪公园》中恐龙复活场景依旧只能是科幻。这是因为,“最新的研究成果表明即便只经过了几千年,我们也无法从树脂(类似于琥珀亚化石)里提取DNA。” 瑞安·麦凯勒解释说,“DNA的半衰期大概只有521年,会在琥珀中迅速降解,没法保存有效的基因信息。20世纪90年代的时候,由于《侏罗纪公园》的影响,大家觉得有希望从白垩纪的琥珀中提取出DNA,但后来的研究发现早期结果都没法重现,或者只是标本遭到污染后得到的假结果。”

未来还会发现更多奥秘

“伊娃标本是一只体型极小的龙,它可能是因为受困于树脂而死,也有可能是树脂落在了它的尸体上并逐渐硬化。”瑞安·麦凯勒猜测道。

“基于目前的骨骼形态,我们还无法判断伊娃标本是幼年个体还是成年个体”,台北市立大学运动能力分析实验室的曾国维教授表示,“伊娃标本没有挣扎的迹象,也无明显的皂化外观,这表明标本很可能在被树脂包裹时已经死去,但标本并没有明显的腐败特征,说明它可能刚刚死亡,是一具相对新鲜的遗骸。至于伊娃标本的死因,目前我们还没法断定,自然死亡或被掠食者捕杀都不能排除,还需要进一步详细研究。”

“尾部的乳白色部分表明它在被包裹起来的时候,尾部至少还有些许水分。一些和尾巴一起包裹在琥珀里的昆虫也属于腐食类动物。”瑞安·麦凯勒补充说。

尽管可能性很多,信息有限,而且幼龙的研究非常复杂,但是,他们的发现一再表明,琥珀可以为沉积岩中的恐龙化石记录补充大量信息。虽然凝固在时间中的琥珀只是古生态系统中极微小的部分,但它们记录着各种微观细节,三维形态以及其他条件下难以研究的、不稳定的软组织。这是一个非常值得大力研究的新信息来源。

这个地区的其他发现会怎样重塑我们对恐龙和其他脊椎动物的羽毛和软组织的理解?研究团队对此表示非常期待。通过观察多个类群,一系列生命阶段和更完整的骨骼材料,人们或许还可以进一步提升现有知识。

团队的下一步工作是寻找更多材料并分析现有的标本,以便更深入地了解标本的保存方式,以及还能从这些琥珀中得到哪些更多的细节。

部分内容综合自新华网、央视网、中新网、果壳网■

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