首块“鸟琥珀”竟是科学家“淘”来的!

来源:    发布日期:2016-08-09 15:41:55   阅读量:0

 文/记者 白竟楠

“当‘天使之翼’放到机器里还没有开启扫描,但经X光照射之后其骨骼和羽毛立刻显现出来,在场的我们全都震惊了!没想到这里面有这么多骨头,我们连心理准备都没有。”


 

采访专家:

邢立达,中国地质大学(北京)博士

图为邢立达博士在加拿大萨斯喀彻温省皇家博物馆观察琥珀标本

6月29日,中加英美等国的古生物学家和昆虫学家宣称,他们发现了有史以来第一批琥珀中的鸟标本,这是人类首次有缘一睹恐龙时代古鸟类的真实面目,对古生物学界带来强烈的震动。

对于参与研究的邢立达团队来说,又完成了一次关于琥珀的科学探险。虽然他已经把从缅甸“淘”回的琥珀带回了国内,但是对这批琥珀的研究历程才刚刚开始。

这篇论文发表于著名的《自然》杂志子刊《自然通讯》上,由中国地质大学(北京)的邢立达博士与加拿大萨斯喀彻温省皇家博物馆的瑞安·麦凯勒教授领衔研究。这两块琥珀分别被命名为“天使之翼”与“罗斯”标本。

除此之外,在这一批琥珀中,还有更多的秘密有待发现,邢立达说:“这篇论文其实是我们的破冰之旅,此后还有更精彩的琥珀等待着去研究。”

“一羽在手,胜过百鸟在林”
 


 

▲天使之翼”标本紫外线下的流纹

▲“天使之翼”

“一羽在手,胜过百鸟在林”这是邢立达7月17日在朋友圈写下的一句话,从6月28日开始,他的朋友圈“晒”起各种与古鸟类琥珀标本相关的内容,直到他7月中旬从加拿大科考回国,这股热乎劲儿还是过不去。

“想也没敢想,能在琥珀里发现较大体型动物的骨骼,尤其是鸟类,历史文献中都没有这样的记载,太意外。”邢立达说。

邢立达与几名外籍科学家一起去了云南和缅甸,考察当地的琥珀矿,并在当地的琥珀市场上淘货,将这些琥珀化石带回去进行研究,以进一步探索古生物演化和灭绝的谜题。遗憾的是,大多数琥珀的产区目前处于地方民族武装的控制范围,外国人难以进入,所以各国的科学家只能在靠近矿区的集市上挑选标本。

科学家会挑选数个自己看起来有潜质的琥珀化石,回去之后再对这些琥珀一一进行扫描和分析。分析扫描工作由中国科学院动物所副研究员白明博士负责,琥珀中只有单根羽毛的不用扫描,因为看起来就已十分直观,有四五块琥珀中有多根羽毛,且不能确定里面是否含有骨头,这时就需要通过扫描来看清细节。白明博士在扫描的时候邢立达也在场,“当‘天使之翼’放到机器里还没有开启扫描,但经X光照射之后其骨骼和羽毛立刻显现出来,在场的我们全都震惊了!没想到这里面有这么多骨头,我们连个心理准备都没有。”邢立达说。

体长只有3.5厘米,世界上最小的恐龙

琥珀是一种有机物宝石矿物。地质时期的树脂掩埋于地下,在漫长的岁月中挥发并聚合、固化形成琥珀。琥珀中常常保存有古昆虫或古植物,而蜥蜴之类的脊椎动物则极为罕见,鸟类更是少之又少。

“‘天使之翼’里的翅膀是伸展的,整块琥珀18毫米,‘罗斯’的翅膀是蜷起来的,只有12毫米,并且‘天使之翼’里的鸟被树脂包裹时很可能是活的。它们都属于白垩纪的鸟类——兽脚类恐龙的后裔。琥珀中出现鸟类,还有当时是活的,很稀奇,因为鸟儿活动能力远比昆虫强,被琥珀黏到可以挣脱。而且鸟类为了飞翔,骨骼通常为中空,很容易破碎,通常不易保存。”邢立达说。

▲矿工进入琥珀矿井

如何推测出“天使之翼”中的鸟当时是活的?活的鸟儿翅膀中会有血液和软组织,在琥珀包裹后会有一个干枯的过程,但是机体里的液体无法排除,但是又会外排,所以会“硬挤出”一些液体,琥珀就会发生皂化现象,通俗的解释,就是会从机体中渗出液体,在琥珀中形成一个个白色的气泡,像肥皂沫一样。如果是干枯的尸体,里面是全干燥的标本不会有皂化的现象。

如果对当时的情景进行推断可能有两种情况,一种是被捕杀,身体被吃掉而翅膀被遗弃,掉到了琥珀里;另一种情况是当时这只鸟很虚弱,被琥珀包裹后无力挣脱,不过,这只是科学家的推测,无从考证。“所以,这块‘天使之翼’在最初可能包裹的是整只鸟,但是最后破碎了,只被我们找到了翅膀。”邢立达说。

“标本虽小,但极为难得,从某种意义上讲,它们是世界上最小的恐龙,其体长只有3.5厘米。”中科院古脊椎所研究员徐星评价说。

琥珀里的骨骼并不完整,经过了上亿年的考验
 


 

“罗斯”

最初发现这两块琥珀的时候不能确定是否为伪造,所以先要验明真伪。首先,从外观上来说,琥珀中有显著古生物特征,鸟的翅膀上带有爪子,非专业人士不了解,伪造的成本也很高。其次,通过扫描发现,琥珀的流纹是完整的,没有人为印迹,而且琥珀里的骨骼保存的并不完整,一看就经过了上亿年的考验。

中国科学院动物所副研究员白明博士表示,一致的荧光色证实两个标本的各个部分都是原始材料,未经切割和改造。当然,更简单的办法是从其中观察到如今已经灭绝的昆虫,这是非常重要的直接证据。说到鉴别真伪,邢立达开玩笑说:“我们曾经交过学费。”

曾经,邢立达获得过一块近乎完美的壁虎琥珀,从外观上看,鳞片、爪子都很齐全,甚至琥珀中还有“皂化”现象,通过CT扫描呈现出的画面也十分完美,每一根肋骨都清晰可见,并且每一块骨骼都互相关联。但是,问题就出在这里,经过机缘巧合的保存和亿年的地质变化,琥珀里的壁虎骨骼竟然如此完美,极可能是人后放入的。随后的形态学分析也表明,这个骨骼属于现生动物,而不是古生物。

论文作者之一,台北市立大学运动能力分析实验室的曾国维教授介绍说:“做一个不太恰当的比喻,树脂在彻底硬化之前,就像一块有点硬的橡皮泥,在最初的保存阶段,很可能会在外力作用下发生骨折、断裂等现象;此后,琥珀在地下经历了上亿年的时间,高温、高压的环境,也很可能对较大的包容物造成损伤”。所以,遇到这么稀奇的发现,还是要持有怀疑精神。在经过缜密的科学勘测之后,这的确是人类第一次获得的反鸟类琥珀。

▲“罗斯”标本和“天使之翼”标本的 CT重建图像

第一次在琥珀里发现反鸟类

此前,人们对白垩纪鸟类的了解仅限于化石记录,虽然中国辽宁等地那极为细腻的沉积岩包括羽毛的印痕等丰富的细节,但琥珀中的古鸟类标本则是直接来自动物本身,由于没有经过化石化作用,因此保存极为完好,具有与生前几乎无异的细节,对研究古生物演化的科学研究者们而言,这些材料是梦寐以求的素材。此次描述的标本来自著名的琥珀产区之一,缅甸北部克钦邦胡康河谷。最早有关缅甸琥珀的记载见于中国汉朝的文献,但对其内含物的研究历史仅仅大约100年。

说了这么多,到底什么是反鸟类?反鸟类是白垩纪出现的一类相对原始且十分特化的鸟类,其肩带骨骼的关节组合与现生鸟类的相反,因此得名。反鸟类和今鸟类是鸟类演化的两个主要的谱系。反鸟类繁盛于白垩纪,后被自然淘汰灭绝于白垩纪末期,被认为是鸟类起源之后第一支成功实现全球性辐射的谱系。今鸟类是鸟类向现生鸟类演化的谱系,包括所有现生鸟类及其祖先类群。两者组成了中生代鸟类中进步的、有主动扇动翅膀飞行能力的两大姐妹类群。中国辽宁西部地区发现了非常丰富的鸟类化石,其中多半都属于反鸟类,如华夏鸟、波罗赤鸟、中国鸟、始反鸟、长翼鸟、原羽鸟、长嘴鸟等等。反鸟类和今鸟类的关系就像尼安德特人和智人,最终智人存活了下来,进化成了今天的人类。

国际古生物协会前任主席、英国布里斯托大学的迈克尔·本顿院士介绍,这些反鸟类幼鸟标本已经具有了现代鸟类的羽毛类型,让我们得以从细微的角度观察到反鸟类幼鸟的羽毛生长方式,鸟翼骨骼形态学,以及羽囊、羽区和裸区等,这些细节皆是前所未见的。

微CT、同步辐射光源,探测琥珀的各种利器
 


 

▲“天使之翼”标本的反鸟同等比例复原图(制图 /王申娜)

这些琥珀被科学家发现之后,除了用肉眼直接看,还需要借助很多科学仪器来勘测。

琥珀被人类称为时间胶囊,被琥珀包裹住的动物在亿万年之后的今天还能看出其形态、颜色,甚至当时狰狞的身躯。虽然两件标本的翅膀乍一看都接近黑色,但在各种光照条件下进行的宏观和微观观察之后,科学家发现“天使之翼”标本是以黑色为主的胡桃棕色,而“罗斯”标本的大部分区域则呈现出更深的棕黑色。两件标本的廓羽颜色从略浅于飞羽的颜色过渡到银色或白色。

除了上文提到的利用各种光照条件和微CT以外,对于这两枚琥珀的勘测也用到了北京高能物理所的大型科研装置——同步辐射光源。邢立达说,北京的同步辐射光源属于第二代,足以用来探测这两块琥珀,同步辐射装置因为能量更强,比微CT能看得更细,因而得出的数据更准确,精度也更高,比如两个骨头中间的缝隙,如果用微CT看就是模糊的。

根据CT数据可以看到,天使之翼标本保存较好,包括了桡尺骨、掌骨、指区,以及多种不同形态的羽毛。手指共3根,明显区别于三指型非鸟兽脚类的指骨排列方式。羽毛包括9根高度不对称的初级飞羽,还能观察到5根次级飞羽的基干部分。小翼指有3根羽毛,形态区别于前述的羽毛。此外,覆羽区至少包括了3排廓羽。这么小的鸟儿骨骼上的羽毛完全发育,这是一种幼鸟中存在的早成性或超早成性现象。这种特性使得幼鸟出壳后很快便能独立取食。但这两件标本中的鸟儿很显然还没有撑到成年。

用仪器探测后根据得到的数据还可以对鸟儿进行全身复原,当然,这种针对大众的复原更偏艺术感,毕竟,这只鸟真正长什么样子其实科学家也不能完全确定,他们只能根据这类动物已有的化石记录和此次的标本进行推测绘制。

科学家能够重现侏罗纪吗?

琥珀与古生物的触电,是科幻电影《侏罗纪公园》。影片中约翰·哈蒙德博士在研究恐龙的过程中发现一只吸了恐龙血又被困在树脂化石中的蚊子,他从蚊子体内的恐龙血中提取出DNA,复制出了真正的恐龙,并建成一个恐龙“侏罗纪公园”。对于这项研究,科学家是否也能造出一个侏罗纪呢?

“这个问题的核心是DNA的半衰期”,邢立达解释道,“一个死亡生物的DNA核苷酸骨架之间的化学键半数降解掉所需的时间大约是521年,这个数字在极端环境下会有变化,比如永冻土中的猛犸象有不少标本能提取到DNA片段,但是,此前报道的数千万前的古DNA还存在很大争议,缅甸琥珀标本的年龄近1亿年,即便使用超高灵敏新一代DNA测序技术也几无可能获得有价值的DNA片段,因此电影《侏罗纪公园》中恐龙场景目前依旧只能留在科幻里。”

不过,邢立达博士透露,目前研究工作还在继续深入中,研究团队获取了一批琥珀中脊椎动物的标本,正在紧锣密鼓地进行研究。“最终我们会看到一个强多样化的东南亚白垩纪中期脊椎动物群,这将是一个极其美妙的未来。”■