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今年是辽西热河生物群化石宝库发现100周年—— 热河生物群隐藏的生命演化密码

2023-10-04   学习时报   阅读量:68

    周忠和,中国科学院院士,进化生物学及古鸟类学家,曾任中国科学院古脊椎动物与古人类研究所所长,长期从事中生代鸟类与热河生物群的研究,提出了热河生物群是若干生物进化摇篮的假说,找到了一系列支持鸟类恐龙起源学说和鸟类飞行树栖起源假说的新证据,发现并命名了若干中生代鸟类化石,通过深入研究早期鸟类的系统演化,丰富了人们对早期鸟类的认识。他是我国最早从事辽宁早期鸟类化石研究的学者之一,有关成果多次入选美国《发现》杂志年度百项科学新闻、《时代周刊》年度世界十大科技发现、中国基础科学研究十大成果、中国十大科技进展新闻。

    从1923年开始,在我国辽宁省西部,一个巨大的化石宝库——“热河生物群”震惊世人。这里发现了最古老的开花植物,被誉为“中华第一朵花”;这里还发现了“世界第一枚鸟类胚胎”;这里的化石还告诉我们,我们耳朵里负责传导声音的两块重要的小骨头,最早竟然是咀嚼器官的一部分……

    热河生物群处于距今1亿多年的白垩纪早期,分为热河动物群和热河植物群两部分,这里的化石遗存几乎囊括了中生代向新生代过渡的所有生物门类,反映了地球中生代生物更替的关键过程,也是新生代生态体系的摇篮。今年是热河生物群发现与研究100周年,跨越1个世纪的光阴,科学家通过热河生物群出土的一块块来自远古的生物化石,揭开了一个又一个物种进化的秘密。与研究人类历史和文化的考古学不同,古生物学研究的是更为久远的动物与植物演化历史,揭开了地球生物进化的秘密,使我们更好地理解,在人类出现之前,大自然生物资源的积累过程与物种多样性的形成原因。虽然已经过去了100年,但是,对热河生物群的研究依然是当今全球古生物学界的热点与前沿。

    那么,热河生物群最早是如何被发现的?它为我们揭开了哪些生命起源与演化的秘密?

    热河生物群——一个化石宝库

    什么是热河生物群?它是大概1亿多年前生活在中国大地上的一个古老生物群。因为这个生物群保存了许多非常精美的化石,为研究地球历史上许多类群的起源演化提供了一些非常重要的信息,所以我们把它称之为一个化石宝库。

    理解现代陆地生态系统的窗口。在热河生物群时期,陆地生态系统和今天的生态系统之间还是存在很大差别的。热河生物群,是理解现代陆地生态系统雏形出现的一个重要窗口。为什么这么说?热河生物群发现的动物里面,很多和现代我们看到的动物大的类群都是一样的,比如说真骨鱼类、哺乳类、两栖类、爬行类,还有昆虫、裸子植物、被子植物,热河生物群都有很好的代表。

    热河生物群的每一块化石都有一个故事,每一块化石都有它特殊的科学意义。热河生物群横空出世之后,就不断产生重要发现,给研究地球的生命演化带来全新的认识。热河生物群发现与研究100年以来,其化石研究硕果累累,衍生出的科学问题令世人瞩目。这样一个世界级化石宝库是如何被发现的?

    这是一个由鱼类化石所引发的故事。据说康熙皇帝在他的一本书里面记述了在辽宁西部发现鱼类化石,并且让人把它制作成一种观砚;而乾隆皇帝据说也是在他的巡游之中经常会遇见鱼的化石,而且还写了一首诗:“是地昔必潦水滋,水退鱼存僵淤泥。岁久土变石理宜,试看易剖片片披。”实际上鱼类化石在辽宁西部地区,老百姓应当很早就见识了,因为鱼类化石非常常见。我去过一些地区,比如有些小山包,它的名字就叫鱼石梁,那显然就说明老百姓很早就知道这上面出现了很多鱼化石。

    1920年经蔡元培和丁文江邀请,一位叫葛利普的科学家到北京大学担任教授,他培养了中国第一代的地质学家,据说有20多位院士出自他的门下。葛利普确立了“热河动物群”的概念,但实际上同一套地层里面,除了动物化石还有植物化石。1962年,中国科学院南京地质古生物研究所的古生物学家顾知微院士,在热河动物群的基础之上又命名了“热河生物群”,热河生物群包括了热河动物群和热河植物群。

    热河生物群发现与研究100年来,在其多个化石产地,接连不断地发现了成千上万件中生代珍贵鸟类化石,一次次刷新了人类对鸟类演化历史的理解与认识。热河生物群发现的鸟类是中生代鸟类非常特殊的一个群体,代表了恐龙向鸟类演化过程中的过渡类型,对研究鸟类起源与演化具有重要意义。虽然中生代鸟类化石在全球范围内多个地点都有分布,但它们在数量、物种多样性和保存状况等方面,都远远逊色于我国的热河生物群。热河生物群丰富多彩的鸟类化石里面,究竟隐藏着哪些生物演化的惊人奥秘?

    早期的鸟类,我国热河生物群基本上占据了世界的大半壁江山,而不是半壁江山,从1.35亿到1.2亿年前这段有关早期鸟类的研究,绝大部分的信息来自于热河生物群。以辽宁地区为主的热河生物群在过去几十年发现了成千上万的鸟类化石,这在全世界都是绝无仅有的。目前据初步统计,热河生物群发现的鸟类化石至少有50多种,这些鸟类化石个体的大小不一样,生活的习性也不一样,可以说代表了始祖鸟出现以来鸟类历史上第一个大发展、大繁荣的阶段。

    中国是名副其实的恐龙大国

    恐龙是地球演化史上最庞大的一类陆生爬行动物,出现于2.2亿年前的三叠纪,繁盛于侏罗纪和白垩纪,6550万年前灭绝。它距离我们如此遥远,如果不借助化石,我们将永远不知恐龙为何物。恐龙化石的形成是一个复杂而漫长的过程,与地球亿万年的风霜雪雨、地动山摇息息相关。近100年来,随着这些远古动物化石不断被发现和挖掘,它们在古生物化石研究体系中已自成一体。迄今为止,世界上已经发现的恐龙化石多达上千种,大多数都在中国,而热河生物群更是我国境内发现恐龙化石种类最多的区域,其中包括非常罕见的一些种类,这些恐龙化石有哪些奇特之处?其中又隐藏着怎样的进化秘密?

    我国的恐龙化石到目前为止,命名种类已经是世界第一,我国20多个省都有恐龙化石发现,辽宁是所有省份里发现恐龙化石数量最多的,辽宁的恐龙化石种类为什么这么多?其中很重要的原因来自于最近30年热河生物群发现了很多个体大小不一样的恐龙化石,这些恐龙化石保存非常完整,而且很多恐龙化石还保存了一些软组织,包括像羽毛、皮肤等等,这在其他地方是非常罕见的。

    丰富多彩的远古生物大世界

    除了鸟类和恐龙,热河生物群发现与研究100年来,还出土了大量鱼类、两栖类动物和昆虫化石。而且,作为生物化石宝库,热河生物群除了丰富多彩的动物化石,自然也少不了大量珍贵的植物化石。这些化石宝库里的明珠又为研究地球动物的起源、演化,还有地质环境的变更,提供了宝贵的线索。

    热河生物群发现很多两栖类动物化石,比如青蛙、蝾螈化石,还有各种各样的蜥蜴化石以及龟鳖类化石。在热河生物群里面还发现了一些鲟鱼类化石。热河生物群有很多无脊椎动物化石,学术界或者公众关注最多的是昆虫化石。热河生物群迄今大概发现了几百种不同类群的昆虫化石,像大家比较熟悉的蜻蜓、蝉、甲虫、跳蚤、蚊子,还有蜂类的化石在热河生物群也保存得非常好。

    热河动物群之所以被发展为热河生物群,就因为它不仅仅有动物还有植物化石。热河生物群发现的植物化石和现代植物群差别还是比较大的,因为热河生物群以裸子植物为主,现代这里则主要是被子植物。裸子植物只有根、茎、叶和种子,但被子植物却拥有花和果实。之前普遍认为,中生代是裸子植物的时代,新生代之后才出现被子植物,被子植物的出现开启了开花植物的时代,热河生物群处在白垩纪,是中生代晚期,却在这里发现了许多特别的裸子植物和被子植物。在热河生物群发现的早期被子植物,是现代陆地生态系统里面很重要的组成部分。任何生物群都是一个窗口,这个窗口帮助我们了解到现代陆地生态系统在那个时期已经出现端倪,再经过1亿年的演化,慢慢才形成了现代陆地生态系统。

    中国化石为生命史书增添新篇章

    热河生物群属于中生代,这是一个充满生气、承前启后的阶段。中生代侏罗纪—白垩纪早期,世界大多数地方还是海洋,而亚洲东部地区已抬升为陆地,因北半球气候湿润,形成了陆地生物的大爆发,使我国辽西地区的生物物种空前繁荣。那时辽西地区的环境可以说是地球生物的天堂,记载地球历史的银杏树和现在的国家一级保护动物中华鲟,在那个时代就已经存在。那么,这片区域后来究竟发生了什么,导致大量生物突然集体死亡,并被迅速埋藏?这些化石又是如何形成并被保存下来,使我们今天能够有幸穿越时空,欣赏到远古时期生机勃勃的生命景观?

    热河生物群对研究地球生命的演化非常重要。为什么这些生物都生活在那样一种特定的时期,生活在那样特定的地区?它们为什么能够保存这么好,变成一种化石宝库?

    热河生物群为什么那么繁盛?热河生物群生活在一种温暖潮湿的环境里面,那个时期淡水湖泊星罗棋布而且森林茂盛。但是也有一些研究发现,或者有一些证据表明,热河生物群生活的有些时段实际上还是比较寒冷的,比如说恐龙的一些羽毛可能就是为了适应寒冷的气候,是不是这样?我觉得还需要更多的一些研究证据,来把这些问题进一步厘清。

    热河生物群为什么保存这么精美?其实和火山活动有很密切的关联。火山喷发之后,形成了碎屑流,这种碎屑流导致了某种生物可以瞬间死亡,并且被埋藏下来。大多数情况下,我们发现的化石都保存在和火山灰共存的正常沉积里面,一些比较常见的化石比如鱼类、贝壳类的一些化石,因为本身生活在水里面,很容易被掩埋下来、保存完整。像鸟类、翼龙这些飞行类动物,还有一些恐龙,它们可能在陆地上生活,为什么会到了湖泊里面?为什么能够被那么完整保存,甚至软组织都很好地保存下来呢?这实际上是一个很好的埋藏学的问题,严格意义上至今还没有一个很好的结论。

    热河生物群只是中国众多化石宝库的一个代表。中国的古生物学有很多重要的资源和研究成果。《科学》杂志在2001年曾经发表了一个专题,关于Paleontology in China,专题的名称就是“精美的中国化石,为生命史书增添了新的篇章”。这显示了中国古生物学研究过去几十年在国际学术界的影响力。

    生命与环境的互动实际上贯穿了地球生命30多亿年的演化历史,古生物学为人类认识宜居地球以及生物多样性的演变,理解未来人类与自然的相互协同演化关系,提供了很多重要的历史借鉴和思考。

周忠和
中国科学院院士
发展中国家科学院院士