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現的？100年來，它為我們揭開了哪些生命起源與演化的秘密？

這個“化石寶庫”是如何被發現的

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古老生物群。因為這個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”。它也被譽為“20世紀全球最重要的古生物發現之一”。

那么，這樣一個世界級的化石寶庫是如何被發現的呢？

這是一個由魚類化石引發的故事。狼鰭魚化石可能是熱河生物群中最早被認識的魚化石，因為它在當地很常見。歷史上有兩位清朝皇帝都與這種魚化石有淵源。一個是康熙皇帝，他在《康熙幾暇格物編：石魚篇》里，記述了在遼寧西部發現魚化石的經過，并且讓人把化石制作成一臺觀硯。另一個是乾隆皇帝。據說，乾隆皇帝在巡游中經常看見魚化石，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。”

實際上，遼西地區的老百姓也經常見到魚化石。筆者曾去過一個地方，當地的小山包就叫魚石梁，顯然和魚化石有關。

1920年，應北京大學校長蔡元培和中國地質學家丁文江的邀請，美國地質學家和古生物學家葛利普來到北京大學地質系擔任教授，中國最早一批地層古生物學者大都出自他的門下。1923年，他來到遼寧凌源地區研究化石和地層。他首先提出了“熱河系”的概念，那是專指凌源地區含化石的地層。1938年，他又提出了“熱河動物群”的概念。當時的熱河省轄區主要分布在今天的遼寧省、內蒙古自治區、河北省的部分地區。

1962年，中科院南京地質古生物所的古生物學家顧知微院士在熱河動物群的基礎上又命名了“熱河生物群”。也就是說，熱河生物群包括熱河動物群和熱河植物群。

熱河生物群生活的時期屬于中生代，世界上大多數地方還是海洋，而亞洲東部地區抬升為陸地，因北半球氣候濕潤形成了陸地生物的大爆發，那是我國遼西地區生物物種空前繁榮的時代。當時，遼西的環境可以說是地球生物的天堂，熱河生物群生活在溫暖、潮濕的環境里，有淡水湖泊，而且森林茂盛。

那么，這片區域后來究竟發生了什么，導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？這其實和火山活動有密切的關聯。火山噴發后，形成了碎屑流，導致生物瞬間死亡，并且被埋藏下來。大多數情況下，我們發現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，比如鳥類、翼龍這些飛行的動物為什么會被完整地保存，甚至軟組織都被保存下來，這個問題至今還沒有答案。

破解三個重大的科學問題

在熱河生物群時期，陸地的生態系統和我們今天熟悉的生態系統之間存在很大的差別。熱河生物群是理解現代陸地生態系統的一把鑰匙，它是現代陸地生態系統雛形出現的一個重要窗口。

在對熱河生物群的研究中，我們初步破解了三個重大的科學問題。

第一個是被子植物的發現。達爾文曾經對被子植物在白堊紀晚期的突然出現感到非常費解，有人把它稱為“達爾文的討厭之謎”。但是現在看來答案很簡單，就是因為當時缺少化石證據，而這些化石證據在熱河生物群里得到了很好的彌補。

裸子植物只有根、莖、葉和種子，被子植物卻擁有花和果實。之前普遍認為，中生代是裸子植物的時代，新生代之后才出現了被子植物。被子植物是現代陸地生態系統的重要組成部分。而熱河生物群處在白堊紀，是中生代的晚期，在這里我們發現了許多特別的裸子植物和被子植物。1億多年前，熱河植物群中占據主導的仍是裸子植物，就像我們把中生代稱為爬行動物時代或者恐龍時代一樣。到了新生代以后，哺乳動物替代了恐龍，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主導，但是，這里發現了最古老的開花植物，被譽為“中華第一朵花”。早期被子植物的發現，讓我們了解到現代陸地生態系統在那個時期已經有了最早的開始。

第二個被破解的科學問題是我們中耳內的聽小骨是從哪里來的，這是進化生物學研究領域的一個經典案例。聽小骨是指哺乳動物也包括人類的聽小骨。我們的耳朵分為外耳、中耳和內耳，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，它對我們的聽覺是至關重要的。

我們要研究的問題是哺乳動物包括人類有3塊聽小骨，而爬行動物、鳥類和兩棲動物只有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現，哺乳動物的鐙骨和耳柱骨是從爬行動物繼承而來，錘骨實際上來自爬行動物的下頜，砧骨是來自于爬行動物上頜的一種關節，叫方骨。也就是說，哺乳動物作為聽覺器官的3塊聽小骨，實際上有2塊來自咀嚼器官。進化就是這樣，并不是平白無故地創造了一個新的結構，而是在原有的舊機體的基礎上不斷進化而逐漸形成的。

第三個問題是鳥類是如何從恐龍起源的。過去一般認為，鳥類是從爬行動物進化而來的。蜥蜴、蛇、龜、鱷都是我們現在常見的爬行動物，但是顯然，這些爬行動物和現生鳥類之間存在著很大的差別。古生物學研究就是要發現一個接一個的過渡類型，盡可能把生命演化中的細節補充完整，從而讓我們更好地了解生命演化的過程和機制。

關于鳥類起源于恐龍，最早在科學假說中就有這種說法。而第一位寫出科學論文，提出鳥類是從恐龍起源的學者是英國生物學家赫胥黎，他是達爾文進化論最主要的支持者。他在1868年發表了這篇論文。現生鳥類最大的一個特征就是有羽毛，過去認為羽毛是鳥類所特有的，對于現生動物來說這種說法依然成立。但是，如果把這個標準放到化石中，恐怕就不一定準確了。為什么呢？因為在熱河生物群中，我們發現了長羽毛的恐龍。第一件發現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——貌似不分叉的東西是不是真正的羽毛。后來又發現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，而且發現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物。曾經有學者認為，這些所謂的原始羽毛可能是一種皮下纖維。但是，2010年的時候，中外學者第一次在恐龍的羽毛中發現了顏色的證據。也就是說，通過顯微電鏡，我們發現了中華龍鳥的原始色素體，從而使我們從科學上復原了羽毛的顏色。這些證據表明，中華龍鳥的原始羽毛確實和現代鳥類的羽毛是同源的。最近，我們還發現孔子鳥（一種古鳥屬，化石遺跡在熱河發現，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構。借助現代科學技術，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代表。從前寒武紀到寒武紀、中生代、新生代，再到第四紀的人類化石，中國有很多重要的化石地點。美國《科學》雜志曾在2001年發表了一個中國的古生物學專題，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研究在國際學術界的影響力。

（摘自《解放日報》）□