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约会考拉的中国祖先

2004-01-07 15:49 作者:鲁伊 2003年第52期
一只1.25亿年前生活在中国辽西地区的小动物是现存270多种有袋动物的老祖先

生活在澳大利亚的考拉

一只1.25亿年前生活在中国辽西地区的小动物是现存270多种有袋动物的老祖先

这是白垩纪早期一个阳光灿烂温暖宜人的午后,一只巴掌大的毛茸茸的小东西——因为它那著名的好莱坞袋鼠后代,我们不妨给它起个名字叫杰克——灵活地爬上了一棵银杏树的枝头。在饱餐了一顿叶肢介(白垩纪的一种昆虫)之后,杰克透过前面苏铁树林繁密的枝叶,怅望着远方不断冒出烟雾的火山。“生活需要变化,”杰克想,“或者,下一顿应该换换口味,尝试一下蚯蚓?不然,就找个姑娘?生个小杰克放在宝宝袋里看它长大,也是个不错的主意吧……”

现在,地球上一共生活着4600多种哺乳动物,生物学家将它们分为3类:单孔类、有袋类和有胎盘类。单孔类哺乳动物的数目十分稀少,只有3种,最著名的代表是鸭嘴兽。有胎盘类动物则是一个大家族,数目多达4300多种。居于两者之间的,是270余种有袋类动物。在生物学上,有袋类动物又从属于亚兽亚纲,与有胎盘类动物从属的真兽亚纲相对。亚兽亚纲不仅包括现在主要生活在澳大利亚的可爱的袋鼠、考拉和袋貂,还包括在漫长的进化过程中灭绝了的众多有袋动物,学名为“中国袋兽”(Sinodelphys)的杰克,就是其中一员,而且是最古老的一员。

在发表于最新一期《科学》杂志上名为《一种白垩纪早期的三尖齿兽和亚兽亚纲哺乳动物的演化》(An Early Cretaceous Tribosphenic Mammal and Metatherian Evolution)的论文中,论文的第一作者、卡内基自然历史博物馆古生物学家、美籍华人罗哲西教授指出,一块从中国辽宁凌原市热河生物群义县组下层地层中发掘出的、年代可以追溯到1.25亿年前白垩纪早期的动物化石,其特征与亚兽亚纲的哺乳动物有更多共同之处。这就将具完整骨骼的有袋类动物化石的历史向前推进了5000万年。此外,骨骼化石还显示出这一动物具有许多利于攀爬和在树上生活的特征。更重要的是,在此前研究的基础上,新的化石益发支持了中国作为白垩纪早期最早的亚兽和真兽分化中心的论点。为此,罗哲西将它命名为中华袋兽。

“这块中华袋兽的化石是在2001年季强教授(注:前中国地质博物馆馆长,罗哲西的合作者,本篇论文的第二作者)访问美国,到我的实验室与我一道工作时带来的。”罗哲西在接受本刊记者采访时说,“当时,我们虽然没有确实把握证明这块化石一定就是最早的有袋类动物的化石,但我们相信,既然在义县组地层中能找到有胎盘动物“始祖兽”(Eomaia),就应该存在着有袋类动物。”

罗哲西的信心源于他此前发现的始祖兽,也源于对热河生物群的了解。“在与辽西同处于热河生物群的乌兹别克斯坦,此前已经发现了7500万年前的有袋类动物化石。这就意味着,在地层年代比乌兹别克斯坦更古老的辽西发现有袋类动物化石的可能性是非常大的。事实也证明,我们的确找到了。”

那么,如何证明中华袋兽是有袋类动物呢?罗哲西举了个例子来说明:“我们说你和你的妈妈是否相像,判断的标准是眉毛、眼睛、鼻子、嘴巴和脸型。对于动物来说,这些标准就换成了骨骼和牙齿。同一类动物在牙齿和骨骼上拥有许多共同点,通过分析和归纳这些共同点,就能分辨出它们的类别。”

中华袋兽的骨骼和前齿都更接近于现代的有袋类动物。尤其是它的后上门齿,其独特的不对称钻石形状几乎与现代的有袋动物袋貂如出一辙。相反,在白垩纪的真兽亚纲哺乳动物中却找不到这样的对应牙齿化石。此外,第一颗上前臼齿较平且邻近上犬齿,其后有较大的齿隙,这也是白垩纪晚期亚兽亚纲动物和新生代有袋类动物的特征之一。除了牙齿,中华袋兽的手腕和脚踝也拥有更多的有袋类动物特征,比如上肢腕骨中粗大的钩骨(相对应于有袋类动物上肢的头状骨和小多角骨)、三角骨(相对应于月骨和末梢尺骨)和舟骨(相对应于月骨和小多角骨)。这些有利于抓取物品的特征均是亚兽亚纲动物特征,白垩纪真兽亚纲的哺乳动物却不具备。在踝骨上,类似情况也出现多次。除了证明中华袋兽属于亚兽亚纲哺乳动物之外,这些腕骨和踝骨的化石还显示,体重在25到40克之间的中华袋兽还是身轻如燕、极为灵敏的攀爬高手,白垩纪早期的银杏、苏铁、松柏和蕨类都能成为它们的栖身之所。“从地面到空中对于动物来说是一种生存范围的扩张,它会让动物更好地适应环境并生存下去。”

“在谨慎比对了中华袋兽380处牙齿、颚骨、头骨和颅后骨架的特征与84个进化枝上不同动物的特征之后,我们确认中华袋兽与有袋类动物有着比与有胎盘类动物更密切的关系。它应该位于有袋类动物进化枝的最底端。”罗哲西说。

关于早期哺乳动物的进化,一种观点认为,真兽亚纲和亚兽亚纲的哺乳动物都起源于北方大陆,早期的亚兽亚纲动物从亚洲和北美传到了整个北美和南美,然后又从南美传到了澳大利亚。中华袋兽的发现为这一理论提供了有力支持。现在,有袋类动物的早期历史已经基本可以归纳如下:在不晚于1.25亿年前白垩纪早期的时候,亚兽亚纲和真兽亚纲完成了分化。此后,在距今1.2亿到1亿年间,亚兽亚纲哺乳动物在北美和亚洲继续自己的进化过程,直到古新世在南美最终分化出最接近现代有袋类动物的动物。因为有袋类动物和有胎盘动物构成了现存所有哺乳动物总数的99.9%,这一分化极大地影响了地球上生命的历史。

化石的年代是如何被测定的

准确的地质年代关系到生物类群起源和繁衍的具体时间。对于中华袋兽生存时期的考察,是基于其化石所在的义县组地层的地质年代推算出来的。在研究热河生物群时,采取的两种地质年代确定方法分别是生物地层对比法和同位素测年法。

所谓的生物地层对比,是通过将化石与世界其他地区相关地层中的化石进行对比,从而提出地层相对的地质年代。此前,中国的地层古生物学家就依据这种方法确定了热河生物群的地质年代大约属于晚侏罗纪到早白垩纪之间。但这种方法所获得的数值通常不够精确。

同位素测年法最早用于测定火山岩的地质年代。由于采样方法和技术上的局限,此前,这种方法的测定结果经常引发很大的争议,无法获得广泛承认。1995年和1999年,中国地质学家分别与加拿大和美国地质学家合作,对义县组的地质年代进行测量。后来,通过采集含化石地层的火山灰夹层的矿物晶体(长石单晶),并使用氩氩(40Ar/39Ar)同位素测量法,终于直接确定了义县组下部化石层的地质年代:距今1.25亿年。

从金氏热河兽到中国袋兽

——专访卡内基自然历史博物馆古生物学家罗哲西

三联生活周刊:您是从什么时候起开始对辽西热河生物群感兴趣并进行相关研究的?

罗哲西:我对热河生物群的研究最早要从“张和兽”说起。1994年,一位名叫张和的收藏家从辽宁北票的一个农民手中收集到了一块化石。这块化石后来转到了中科院古脊椎动物与古人类研究所的手上。当时,所里的王元青博士正好在我所在的卡内基自然历史博物馆做博士后研究。这样,我就加入了李传夔教授领导的张和兽研究小组。1997年,确认张和兽为世界上最早的对齿兽类的论文发表在《自然》杂志上,在全世界古生物学界引起了轰动。1997年,我在北京结识了季强教授,并从此开始与季教授合作进行热河生物群研究。

三联生活周刊:能否介绍一下您和季教授合作的方式与主要发现?

罗哲西:我们的合作方式基本上是这样的:我会时常回国,同季强教授一起进行一些寻找化石的田野工作。此后,我把化石带回美国,作相关研究,比如清理出化石中动物的完整骨骼并进行比对等等。季强教授也经常来美国和我一起做这些后期工作。

至于我们的重要发现,除了此次的中国袋兽,我想特别指出的是金氏热河兽和始祖兽。1999年发现的金氏热河兽几乎是世界上最原始的哺乳动物,它代表着三尖齿兽整个一个大的类群。在金氏热河兽发现以前,大多数三尖齿兽的化石只保留了牙齿,很难了解它的详细情况。但金氏热河兽却保留下了非常完整的特征,使系统分类和了解其种群数量有了可能性。从化石上,我们发现,它的前肢很发达,但后肢却非常原始。这说明,哺乳动物身体上的不同部位在进化中各自的进化速率是不同的,是非常重要的一个发现。

有胎盘动物最原始的代表——始祖兽——是我们最重要的发现。它的发现很有传奇色彩。这块化石大约是在1999年下半年被发现的。2000年时候,我到西藏做田野工作,路过北京时到季强教授的办公室拜访,正好见到了这块化石。此后,我们对它进行重新研究,终于在2002年4月25日出版的《自然》杂志上发表了关于始祖兽的论文。要知道,目前现存的哺乳动物中,99%是有胎盘动物,而始祖兽正是所有这些有胎盘动物的老祖先。在此以前,人类发现的最早的有胎盘动物的化石是西伯利亚出土的距今1.15亿年的一些动物牙齿化石。具有完整骨架的化石时间更为晚近,大约距今7500万年。始祖兽化石的发现一下子就把这个纪录向前推进了5000万年,而且它保存得相当完整,甚至可以看得清楚皮毛和部分软组织。

三联生活周刊:我们知道,目前在辽西存在严重的化石走私现象,许多国外的研究机构都会通过一些渠道从国内购买化石用于研究。作为主要在美国进行相关研究的您对此有何看法?

罗哲西:首先,我要说的是,就像文物走私一样,化石走私的现象的确存在。但是,我用于研究的化石的所有权绝对是属于中国的。而且,像《科学》和《自然》这样严肃的学术杂志,通常如果一篇论文中涉及的化石没有该化石发现国正式博物馆收藏编号的话,是不会接受这篇论文的。

中生代乐园:热河生物群

在地质学上,距今2.5亿年到6500万年前的这一段时期被命名为中生代。以辽西为代表的,包括中国北方、蒙古、西伯利亚、哈萨克斯坦和朝鲜、日本在内的热河生物群形成的时期,便是距今1.2亿年左右的中生代白垩纪早期。1928年,美国地质学家葛利普在辽西进行地质工作时,第一次使用了“热河动物群”的说法。1962年,我国古生物学家顾知微将植物群也纳入其中,统称为“热河生物群”。热河生物群化石发现的历史很长,但从20世纪90年代开始,由于相关论文相继发表在有影响力的科学杂志上,热河生物群才获得了广泛的国际关注。

在1亿多年以前,热河生物群是地球上惟一一个拥有大量淡水湖泊的陆地,世界上其他地区则主要被海水覆盖。那时候,由于频繁而强烈的火山活动,这一地区气候温暖,植被繁茂,气候呈半干旱和潮湿的季节交替变化。这就为各种生物的生存繁衍提供了良好的条件。沉降在水体中的火山颗粒为水中的食物链提供了丰富的矿物质,而各个盆地和山谷相对隔绝的自然地理条件又形成了复杂多变的小环境。此外,火山喷发也容易引发基因的突变。几种因素的共同作用,结果便是热河生物群极为丰富繁盛的生物种类。

当时地球上出现的各个主要门类的生物几乎都可以在热河生物群找到自己的代表。其中包括最早拥有角质喙的鸟类孔子鸟,惟一保留了爬行动物祖先长的骨干尾巴的鸟类热河鸟,当时世界上个体最大的鸟类会鸟,带羽毛的恐龙中华龙鸟,树栖恐龙顾氏小盗龙,中生代已知的最大的哺乳动物爬兽,最早的有胎盘哺乳动物始祖兽,世界上最古老的青蛙之一三燕丽蟾,无脊椎动物东方叶肢介和三尾类蜉蝣,最原始的被子植物辽宁古果和中华古果等等。有关热河生物群的发现和研究已经成为近年来国际古生物学界最热的话题之一。

感谢中科院古脊椎动物与古人类研究所周忠和研究员提供相关资料

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