熱河生物群：上億年前物種起源的秘密

周忠和

1923年，在中國遼寧省西部，一個(gè)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(gè)“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(gè)古老生物群。因?yàn)檫@個(gè)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(yù)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(gè)世界級(jí)的化石寶庫是如何被發(fā)現(xiàn)的呢？

這是一個(gè)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(shí)的魚化石，因?yàn)樗诋?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(gè)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(tái)觀硯。另一個(gè)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(shí)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(gè)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(qǐng)，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(dòng)物群”的概念。當(dāng)時(shí)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(dòng)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(dòng)物群和熱河植物群。

熱河生物群生活的時(shí)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(shí)代。當(dāng)時(shí)，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(shí)和火山活動(dòng)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(tuán)，比如鳥類、翼龍這些飛行的動(dòng)物為什么會(huì)被完整地保存，甚至軟組織都被保存下來，這個(gè)問題至今還沒有答案。

破解三個(gè)重大的科學(xué)問題

在熱河生物群時(shí)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(gè)重要窗口。

在對(duì)熱河生物群的研究中，我們初步破解了三個(gè)重大的科學(xué)問題。

第一個(gè)是被子植物的發(fā)現(xiàn)。達(dá)爾文曾經(jīng)對(duì)被子植物在白堊紀(jì)晚期的突然出現(xiàn)感到非常費(fèi)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?yàn)楫?dāng)時(shí)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(bǔ)。

裸子植物只有根、莖、葉和種子，被子植物卻擁有花和果實(shí)。之前普遍認(rèn)為，中生代是裸子植物的時(shí)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(dòng)物時(shí)代或者恐龍時(shí)代一樣。到了新生代以后，哺乳動(dòng)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(yù)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(gè)時(shí)期已經(jīng)有了最早的開始。

第二個(gè)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(gè)經(jīng)典案例。聽小骨是指哺乳動(dòng)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(duì)我們的聽覺是至關(guān)重要的。

我們要研究的問題是哺乳動(dòng)物包括人類有3塊聽小骨，而爬行動(dòng)物、鳥類和兩棲動(dòng)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(dòng)物的鐙骨和耳柱骨是從爬行動(dòng)物繼承而來，錘骨實(shí)際上來自爬行動(dòng)物的下頜，砧骨是來自于爬行動(dòng)物上頜的一種關(guān)節(jié)，叫方骨。也就是說，哺乳動(dòng)物作為聽覺器官的3塊聽小骨，實(shí)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(gè)新的結(jié)構(gòu)，而是在原有的舊機(jī)體的基礎(chǔ)上不斷進(jìn)化而逐漸形成的。

第三個(gè)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(dòng)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(dòng)物，但是顯然，這些爬行動(dòng)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(gè)接一個(gè)的過渡類型，盡可能把生命演化中的細(xì)節(jié)補(bǔ)充完整，從而讓我們更好地了解生命演化的過程和機(jī)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(gè)特征就是有羽毛，過去認(rèn)為羽毛是鳥類所特有的，對(duì)于現(xiàn)生動(dòng)物來說這種說法依然成立。但是，如果把這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)放到化石中，恐怕就不一定準(zhǔn)確了。為什么呢？因?yàn)樵跓岷由锶褐?，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(dòng)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(shí)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(shí)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(gè)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(diǎn)。美國《科學(xué)》雜志曾在2001年發(fā)表了一個(gè)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?qǐng)?bào)》）□