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首都科學講堂 | 尋找恐龍化石的故事

來源：北京科技報發(fā)布日期：2022-09-14 09:26:43 閱讀量：0

恐龍是生活在距今大約2.3億年前地球上的史前爬行動物，曾主宰地球1.7億年之久，并于約6600萬年前的白堊紀晚期滅絕。恐龍時代離我們如此遙遠，如果不借助于化石，我們對恐龍這一神秘的物種就會一無所知?？铸埢窃趺幢话l(fā)現(xiàn)的？尋找恐龍化石的意義是什么？其中有哪些故事？

在全國多地中小學開學之際，首都科學講堂邀請人教版小學語文課文《飛向藍天的恐龍》作者、古生物學家、中國科學院古脊椎動物與古人類研究所研究員徐星，為大家?guī)黹_學第一課：《尋找恐龍化石的故事》。

【主講嘉賓】

徐星

中國科學院古脊椎動物與古人類研究所研究員

云南大學古生物研究院學術院長

▲尋找恐龍化石的故事（上）

▲尋找恐龍化石的故事（下）

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好奇驅動發(fā)現(xiàn)

很多人都喜歡恐龍，究其原因，可能是因為其龐大體型、奇特外貌或者是遙遠的存在，另外還有霸王龍、三角龍、馬門溪龍等恐龍明星的存在。

▲馬門溪龍復原圖（供圖/徐星繪圖/趙闖）

2005年美國《科學》雜志列出了125個科學難題，這些問題包括：什么組成了宇宙？生命如何起源？還有一些問題跟恐龍研究有關系，比如恐龍是怎么滅絕的？恐龍為什么會長這么大？

▲恐龍明星復原圖（供圖/徐星繪圖/Brian Choo）

古生物學不僅研究恐龍化石，還研究其他類化石。為何恐龍化石有這么大的魅力？究其原因，古生物學研究除了像其他科學領域一樣需要動腦子去探索世界，還有一個特別的地方，就是需要我們擁抱大自然，到野外去尋找隱藏在大地當中有關生命演化的奧秘。

▲徐星在野外發(fā)掘恐龍化石（供圖/徐星）

▲新疆準噶爾盆地的五彩灣地區(qū)，考察隊員居住的小帳篷就在巖石的旁邊，享受著野外生活的樂趣。抬眼遠望就是戈壁沙漠（供圖/徐星）

我最喜歡的恐龍化石地區(qū)是新疆準噶爾盆地的五彩灣地區(qū)。這里的風景非常漂亮。考察隊員居住的小帳篷就在巖石的旁邊，享受著野外生活的樂趣。抬眼遠望就是戈壁沙漠。

▲新疆準噶爾盆地五彩灣地區(qū)，遠處就是雪山（供圖/徐星）

其實，在野外科考遇到最多的是沙塵暴、洪水等惡劣環(huán)境。在戈壁沙漠當中尋找化石最大的挑戰(zhàn)就是高溫、蚊蟲、毒蟲和野獸。我們在準噶爾盆地的野外發(fā)掘有很多重要發(fā)現(xiàn)。

在1.6億年前形成的巖石當中，我們找到了三角龍的祖先——隱龍的化石。

▲隱龍化石（供圖/徐星）

▲隱龍生活時代復原圖（供圖/徐星）

我們還發(fā)現(xiàn)了霸王龍在侏羅紀的祖先——冠龍的化石，這對理解霸王龍家族的演化歷史非常重要。

▲霸王龍在侏羅紀的祖先——冠龍的化石（供圖/徐星）

▲冠龍復原圖（供圖/徐星繪圖/張宗達）

恐龍化石發(fā)掘者被稱為“恐龍化石的獵人”，工作最重要的一步就是能發(fā)現(xiàn)恐龍化石。讓人感到驚奇的是，找到最多化石的往往不是有經驗的野外工作者，恰恰是剛剛參加野外工作的隊員。這是由于他們對野外的每個細節(jié)都充滿了好奇，不會放棄任何的異?，F(xiàn)象，正是好奇心驅使他們發(fā)現(xiàn)了很多重要的化石。

▲剛剛參加野外工作的隊員，由于有好奇心，能夠從蛛絲馬跡中找到最重要的化石（供圖/徐星）

化石不僅是發(fā)現(xiàn)的過程，還有采集的過程。由于野外沒有重型機械，只能依靠雙手，有的時候必須“忍痛割愛”——僅采集化石的一部分，把更多的化石留在原地。

▲由于化石太大，科研人員只能選取化石的一部分（供圖/徐星）

在白堊紀的地層當中，我們在阿爾瓦雷茲龍類化石的脖子附近發(fā)現(xiàn)了非常小的鱷魚殘?。ㄏ聢D紅點處）。我們猜測恐龍吃下鱷魚之后就死亡了。我們就給這塊化石命名為“最后的晚餐”。

▲阿爾瓦雷茲龍類化石（供圖/徐星）

化石是一層一層地保存，在上面一層是小化石，中間一層是中等化石，下面有一層更大的化石，我們稱之為“恐龍三明治”的保存方式。通過研究，我們提出了這樣的解釋：在這個區(qū)域不僅生活著比較小的恐龍，還生存著最大體長將近40米的馬門溪龍，它們把河邊的軟泥踩成小坑，小坑被泥水淹沒，就形成了一個個小的泥潭。生活在這個區(qū)域的一些小型恐龍不小心就會掉進泥潭當中死亡，被后來的一些泥沙掩埋，形成化石。這樣的故事一次次發(fā)生，最后就形成了“恐龍三明治”的保存方式。

▲恐龍化石的“三明治”保存方式，陷入巨型恐龍踩坑中的小恐龍（供圖/徐星）

在“恐龍三明治”中，我們找到了一些奇特的恐龍。最奇特的是發(fā)現(xiàn)恐龍吃了一肚子的小石子。我們知道一些恐龍和現(xiàn)代鳥類一樣沒有牙齒，小石子能夠有效地研磨食物。還有些鳥類吃石子是為了清理腸道。我們在1.6億年前侏羅紀時代的小恐龍當中，居然發(fā)現(xiàn)也有了像鳥一樣的行為。我們給這種恐龍命名為“難逃泥潭龍”。因為這種恐龍是陷在了泥潭當中，怎么也逃不出來，然后死亡形成了化石。

▲“難逃泥潭龍”的化石中發(fā)現(xiàn)了小石子（上圖紅框內，右圖為放大圖）（供圖/徐星）

通過研究化石，我們發(fā)現(xiàn)生活在1.6億年前的“難逃泥潭龍”在3歲之前是有牙齒的，到了成年后才變得像鳥一樣，有了喙。通過研究，我們發(fā)現(xiàn)這種恐龍在小的時候喜歡吃肉，是雜食性的動物，但是到了成年以后開始吃植物，這和它牙齒的丟失、喙的產生是有關系的。

▲“難逃泥潭龍”復原圖（供圖/徐星繪圖/Portia Sloan）

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發(fā)現(xiàn)的偶然和必然

世界上首次證明恐龍睡眠行為是從一塊化石上發(fā)現(xiàn)的，這塊化石上的恐龍頭和身子盤成了一圈。剛剛發(fā)現(xiàn)這塊化石的時候，我們認為它僅僅是一個保存得特別精美的化石。

▲在中國遼寧省北票市發(fā)現(xiàn)了距今1.4 億年早白堊世的寐龍化石，在世界上首次證明恐龍睡眠行為（供圖/徐星繪圖/Mick Ellison）

我偶然注意到恐龍的嘴巴埋藏在翅膀的下面。我們知道，不同的動物有不同的睡眠方式，鳥類需要保暖，經常會把嘴巴或者頭藏到翅膀下面。就是這么一個細節(jié)，讓我意識到原來恐龍有可能具有像鳥一樣的睡眠行為。

內蒙古二連浩特是一個恐龍化石的圣地，20世紀20年代，美國自然博物館組成了一個考察隊從北京出發(fā)，一路向西，他們希望在蒙古高原上找到人類祖先的化石。但是他們在尋找路途中，沒有找到人類化石，反而意外地找到了各種各樣的其他化石，其中就包括恐龍化石。

20多年前，我國科研人員開始在這個區(qū)域找到不少恐龍的化石，甚至包括一些新的恐龍物種。我們命名了兩種恐龍物種，一種叫做內蒙古龍，另外一種叫做二連龍。

當時中央電視臺來到了內蒙古二連浩特想拍一個紀錄片，展現(xiàn)內蒙古龍和二連龍化石發(fā)現(xiàn)的過程。拍攝完成以后，中央臺編導提出來為了讓紀錄片顯得更加生動，需要補拍幾個科研人員挖化石的鏡頭。在選取挖掘地點的時候，有一個工作隊員將帽子扔到了空中，帽子落到哪兒就挖掘哪兒。當我們把巖石打開的一瞬間，我們都驚呆了，居然在帽子落地的巖石下面就有新的恐龍化石。

▲中央電視臺拍攝紀錄片現(xiàn)場, 意外發(fā)現(xiàn)蜥腳類恐龍化石（供圖/徐星）

我們就把這些化石取回了實驗室進行修理、研究，發(fā)現(xiàn)這個化石是一個蜥腳類恐龍的背椎化石，而且這個化石跟原來這個地區(qū)發(fā)現(xiàn)的化石完全不一樣。根據這個化石我們命名了一種新的恐龍物種，叫做蘇尼特龍，它屬于一種小型的蜥腳類恐龍。

▲徐星（左）和蜥腳類恐龍——蘇尼特龍化石合影（供圖/徐星）

一般蜥腳類恐龍體長至少要20米、甚至30米，但是蘇尼特龍是蜥腳類家族當中的“侏儒”，體型只有大概不到10米長。這一發(fā)現(xiàn)讓我們興奮不已。

日本的一家電視臺也來到了二連浩特，希望報道蘇尼特龍的發(fā)現(xiàn)過程，編導也提出了同樣的拍攝幾個鏡頭的要求。一位工作隊員說，剛在幾十米外的一個干涸的河床邊上看見露出來了一塊骨頭，從大小來看，很有可能是蘇尼特龍。當我們通過刷子暴露更多的化石后，我們意識到這塊化石根本就不是蘇尼特龍的化石，它是一個原來沒有見過的恐龍物種的化石。

▲日本電視臺拍攝現(xiàn)場，意外發(fā)現(xiàn)大型獸腳類恐龍——巨盜龍化石（供圖/徐星）

我們把化石采集回實驗室進行修理和研究，發(fā)現(xiàn)原來是一個大型獸腳類巨盜龍化石。這種恐龍長得非常像鴕鳥，跟鳥類的親緣關系比較近，但它居然有這么大的體型，死亡的時候我們預計大概體重有3000公斤。我們還用CT照了它的骨骼內部，想看看到底是何種生物。這種恐龍的骨骼在CT下呈現(xiàn)像蜂窩狀的結構，其骨骼重量很輕，但是它又很堅固。這個發(fā)現(xiàn)被美國《時代》雜志評為2007年度世界十大科技發(fā)現(xiàn)之一。

▲巨盜龍11歲死亡，體重約3250公斤（供圖/徐星）

▲巨盜龍化石的骨骼在CT下呈現(xiàn)像蜂窩狀的結構，其骨骼重量很輕，但是它又很堅固（供圖/徐星）

為什么科學界一些重大發(fā)現(xiàn)總有些偶然成分？其實，偶然發(fā)現(xiàn)之前，一定有大量的努力和付出！

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發(fā)現(xiàn)源于堅持和付出

除了好奇心和偶然之外，堅持對恐龍化石的發(fā)掘也至關重要。遼寧及其周邊地區(qū)和內蒙古環(huán)境完全不一樣。這里植被非常茂密，這個地方的化石幫助我們解答了恐龍演化中有關披著鱗片或者鱗甲的問題。

之前，在世界有些地方發(fā)現(xiàn)的恐龍化石，表明恐龍的身上有鱗片和鱗甲，比如在北美發(fā)現(xiàn)的鴨嘴龍、角龍。所以我們認為恐龍的身上應該披著鱗片和鱗甲。但是，實際情況是不是這樣呢？

1996年，在中國發(fā)現(xiàn)了第一塊保存有羽毛的恐龍化石?？茖W家給它起了個名字叫中華鳥龍，它還有一個名字叫中華龍鳥。這個起名有我們對化石的認知進步的過程。這個化石不僅有其他化石一樣保存的骨骼，更重要的是化石上還保存了黑色的原始羽毛。

▲首次發(fā)現(xiàn)保存有羽毛的恐龍——中華鳥龍化石（供圖/徐星）

實際上，恐龍有原始羽毛并不是一個新鮮的概念，最早在上個世紀60年代的時候，有一個阿根廷的學者就提出來，有一些跟鳥類親緣關系比較近的恐龍，身體上應該長有羽毛。上個世紀七八十年代的時候，有美國的一些藝術家已經把有些恐龍身上放上了羽毛，但是從來沒有科學家能找到證據顯示恐龍身上長有羽毛。

1997年，中華鳥龍化石發(fā)現(xiàn)不久后，我們也來到了這個地區(qū)。當時正值冬季，非常寒冷，我們非常希望能夠發(fā)現(xiàn)更多的帶羽毛的恐龍化石。我們工作了30多天，仍然一無所獲。正當我們準備離開的最后一天，當?shù)厝司栀浟艘粔K非常破碎的化石，有幾百塊碎片，他們希望能夠對科學研究有所幫助。我們在化石的基礎上進行拼接、復原和研究，發(fā)現(xiàn)這塊化石居然代表了一個新的物種，我們給它起名叫北票龍。它對于我們理解羽毛的演化，恐龍怎么樣變成鳥類，提供了非常重要的證據。

▲北票龍化石發(fā)現(xiàn)的時候非常破碎，這塊化石對于理解羽毛的演化，恐龍怎么樣變成鳥類提供了重要的證據（供圖/徐星）

▲北票龍復原圖（供圖/National Geographic）

為什么會有“最后一天運氣”呢？原因很簡單，就是堅持之后的結果。每次“最后一天運氣”，往往都是在野外堅持30天、40天、50天，甚至是60天之后的發(fā)現(xiàn)。只有大量的付出，最后才能有所發(fā)現(xiàn)。

1998年，我們又經歷了一次“最后一天運氣”。那次，我們在野外有70多天，就在考察快要結束的時候，一位同事找到了一塊重要的化石，上面有很多的骨頭，也有很多的羽毛印痕保存。這個化石代表一個恐龍的新物種，我們給它起名叫做中國鳥龍。這種恐龍給我們展現(xiàn)了恐龍實際上已經可以像鳥一樣拍打它的翅膀，這對于學會飛行是非常重要的。

▲中國鳥龍化石（供圖/徐星）

▲中國鳥龍復原圖（供圖/National Geographic）

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來自質疑和批評的發(fā)現(xiàn)

很多重要的科學發(fā)現(xiàn)，其實也是最常見的一類發(fā)現(xiàn)，就是來自質疑和批評的發(fā)現(xiàn)。

▲一塊保存精美的化石。有恐龍的骨架，有它身體四周保存的黑色的羽毛

▲恐龍的復原圖（供圖/徐星）

有人會問漂亮的恐龍長著五顏六色的羽毛是科學家猜測的，還是有真正的科學依據？其實，科學家是有科學依據的，科學家能夠準確地復原某一些滅絕動物的體表顏色。從肉眼上看到的是恐龍有黑色的羽毛，但是如果用電子顯微鏡，就可以在黑色的羽毛當中發(fā)現(xiàn)納米級的結構，這種結構是黑素體，黑素體里面包含黑色素。很多其他動物體表的顏色都跟黑色素有關系，如果沒有黑色素，我們的世界就是一個非常單調蒼白的世界。

黑色素在化石當中的發(fā)現(xiàn)，可以幫助我們通過跟現(xiàn)代鳥類的羽毛的黑色素進行對比，比較準確地推斷生活在億萬年前的恐龍到底有什么樣顏色的羽毛。是黑色的羽毛還是白色的羽毛？是紅色的羽毛還是藍色的羽毛？

這種推斷方法的發(fā)現(xiàn)者Jakob Vinther在2008年之前還是耶魯大學的一個博士生。當時他的導師希望他研究化石當中像羽毛或者其他的一些軟體組織怎么樣形成化石的課題。

▲Jakob Vinther（供圖/徐星）

不是所有的動物都能形成化石，只有一部分動物或者植物能形成化石，所以科學家在研究化石的形成條件。動植物的硬體，比如說骨骼、牙齒容易形成化石，但是肌肉、血管，包括體表、鱗片等軟體組織不是很容易形成化石。但實際上，我們確實也發(fā)現(xiàn)了極少數(shù)化石有軟體組織，包括像恐龍身上的羽毛的印痕形成了化石。

Jakob Vinther的導師讓他去研究為什么有的軟體組織會形成化石的課題。當時的一個普遍的觀念認為這類化石之所以可以形成，是由于生活在遠古時代的細菌幫助軟體組織形成了化石。

但是Jakob Vinther在研究的過程當中發(fā)現(xiàn)化石的軟體組織周圍的圓形、香腸狀或者棒狀的結構并不是細菌而是黑素體。由于學生質疑了老師，讓科學有了一個很大的進步，讓我們今天能夠準確地復原滅絕動物的體表顏色。

傳統(tǒng)意義上，恐龍是生活在地面上的體型龐大的動物，奔跑能力也非常強。科學家通過觀察各種各樣的恐龍，發(fā)現(xiàn)恐龍的身體結構適宜在地面上生存，適合在地面上奔跑。一般恐龍腳上的爪子都比較平直，只有手上的爪子比較彎曲。

▲第一塊小盜龍化石（供圖/徐星）

但是，我們發(fā)現(xiàn)小盜龍的化石有兩點特別特殊：一是，小盜龍的體型特別小，重量超不過一公斤；二是，小盜龍腳上的爪子形態(tài)跟生活在樹上的鳥類腳爪更加相似。這意味著小盜龍可能是生活在樹上的一種恐龍。這涉及到一個非常重要的演化事件?？茖W家很早以前就相信恐龍變成了鳥類，但是恐龍變成鳥類要演化出來各種各樣鳥類的特征，其中有一個最重要的特征是飛行。

▲小盜龍腳趾長度比例和爪子的彎曲度顯示它能生活在樹上（供圖/徐星）

▲小盜龍生活在樹上的復原圖（供圖/徐星）

恐龍從地面怎么樣飛上藍天？按照現(xiàn)代生物學的觀點，學會飛或者剛剛有一點飛行能力的生物都是生活在樹上的。比如會滑翔的蜥蜴、會滑翔的鼯鼠，甚至青蛙也會滑翔。這些會滑翔的動物一般都是從樹上、從高處往下飛，這是因為從高處往下是更容易的一件事情。而從地面直接飛到天上是非常困難的事情，像飛機起飛一樣，只有速度特別快，才能飛上藍天。所以，很多專家認為既然恐龍是生活在地面上的，它就不可能演化出來飛行的能力。但是小盜龍的出現(xiàn)，告訴我們有些恐龍是有可能生活在樹上的，它有可能從樹上往下跳，進行滑翔，最終學會飛行的能力。

通過更多的小盜龍化石研究，發(fā)現(xiàn)了更加讓我們吃驚的現(xiàn)象。鳥類身上有寬大的羽毛，長在翅膀和尾巴上，我們叫做飛羽。典型的飛羽都是不對稱的，左右兩個羽片大小不一樣，一邊寬，一邊窄?？茖W家發(fā)現(xiàn)，飛行能力越強的鳥類，羽毛不對稱性越強。而飛行能力越弱或者不會飛的鳥類，它們的飛羽幾乎都是對稱的。但在小盜龍化石里，我們居然看見了不對稱的羽毛，更加讓我們吃驚的是在小盜龍的腳上不對稱羽毛也有分布。

▲不對稱的羽毛不僅分布在小盜龍化石前肢和尾巴上，還分布在后肢上（紅圈處）（供圖/徐星）

小盜龍化石里不對稱羽毛的分布讓我們提出了四翼恐龍的想法：它長了四個翅膀，如果把尾巴也當成一個翅膀，相當于是五個翅膀的一種動物。實際上，這并不是我們直接得出來的，而是在不斷修改后得出的。

▲在小盜龍化石上發(fā)現(xiàn)了不對稱的羽毛（左），現(xiàn)代鳥類的羽毛（右）。飛行能力越強，羽毛越不對稱。從空氣動力學的角度分析，不對稱的結構能夠幫助飛行（供圖/徐星）

當時，國際上有很多團隊在研究小盜龍化石。2002年，其他的兩個研究團隊已經在我們之前發(fā)表了有關新的小盜龍化石研究成果。他們的研究認為小盜龍腳上沒有飛羽。另外一個研究團隊通過觀察，認為小盜龍身上的羽毛都是對稱的。兩個研究團隊的觀察，跟我們的研究是完全相反的。

為什么同樣的化石會得出不同的結論？我把它歸結到已經掌握的知識會禁錮你的思維，年齡有助于經驗和知識的增長，但也會導致自由思維的喪失。已掌握的科學知識會禁錮你的思維，科學家對世界的觀察都或多或少存在“偏見”。我們能做的就是盡量減少自己的“偏見”。科學的進步是在與各種“偏見”的碰撞當中慢慢形成的，最終會達到真理的彼岸。

第一個研究團隊為什么認為腳上沒有飛羽？因為我們對現(xiàn)代鳥類的認識，現(xiàn)在的鳥類只有不對稱的羽毛，從來沒有在腳上發(fā)現(xiàn)過，都是長在翅膀和尾巴上的。所以這個團隊就猜測埋藏在小盜龍化石腳附近的羽毛一定是翅膀或者是尾巴上的羽毛在化石形成的過程當中沖過來的，而不是小盜龍腳上原來就長了的羽毛。

▲第一個團隊發(fā)表論文認為小盜龍腳上沒有飛羽（供圖/徐星）

第二個團隊為什么認為飛羽是對稱的呢？因為他們主要是研究恐龍出身的，經驗非常多，他們有一個固定思維，認為恐龍還沒有學會飛，所以當看見小盜龍化石當中有羽毛的時候，盡管羽毛實際上是不對稱的，但是在他們的眼里還是對稱的。思維的禁錮導致認識上的偏差。

▲第二個團隊發(fā)表論文認為小盜龍的飛羽是對稱的（供圖/徐星）

2003年，我們向科學界宣布小盜龍有不對稱的羽毛，而且這種不對稱的羽毛還長在了腳上。英國《自然》雜志發(fā)表了我們的論文，在全世界引起了非常大的轟動。通過這一發(fā)現(xiàn)，我們可以推測恐龍飛向藍天是從地面上開始的，有一種恐龍可能到了樹上，最后演化出來四個翅膀。隨著前面的翅膀越來越發(fā)達，后邊的翅膀逐漸退化，所以今天的鳥類只用兩個翅膀飛，它們的腳用來行走。

▲2003年，著名學術期刊英國《自然》雜志發(fā)表徐星團隊關于四翼恐龍飛翔演化假說的論文，在全世界引起了非常大的轟動（供圖/徐星）

我們的論文發(fā)表以后受到了不少學者的質疑，著名的學者加州大學伯克利分校的凱文·佩迪恩(Kevin Padian)教授寫過幾篇論文，質疑和批評我們的論文。他認為不可能有四翼恐龍，一種可能是化石造假。他還提出，即便是真的化石，它跟飛行的起源也沒有關系，它應該是一個特殊的現(xiàn)象，是個例，跟鳥類學會飛是沒有關系的。

為什么凱文·佩迪恩不相信四翼恐龍，因為他是研究恐龍變成鳥的一個先驅，同時會受到一些固有思維的影響。他非常熟悉現(xiàn)在的鳥類是用翅膀飛行，用后肢走路。所以，他想象不到恐龍存在四翼的現(xiàn)象。

實際上質疑和批評是科學界常有的一種現(xiàn)象，科學進步就是在這種質疑、批評和討論過程當中產生的。

我們回應質疑和批評，最好的方法是去尋找更多的科學證據。我們花了更多時間在野外、在實驗室里去尋找更多的證據。后來證明，小盜龍化石四翼現(xiàn)象并不是化石造假，它確實是一個真實的生物學現(xiàn)象。更加重要的是不僅在小盜龍身上找到了四翼的證據，我們還在足羽龍、近鳥龍、曉廷龍、會鳥等早期的化石上都找到了四翼的現(xiàn)象。恐龍演變成鳥類，四翼階段是一個必經的階段。