中国研究者在琥珀中找到恐龙时代的早期鸟类

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25年前,迈克尔·克莱顿在小说《侏罗纪公园》里想象,科学家在琥珀保存的蚊子体内找到了恐龙血的残迹。这当然是科幻场景,但是现在我们有了比小说更好的现实——6月29日,《自然》子刊《自然-通讯》(Nature Communications)发布了一项由中加两国领衔的跨国合作研究,宣布在琥珀中发现了恐龙时代的古鸟类,距今约9900万年。

被树胶粘住的化石鸟类复原图。绘图:张宗达

标本DIP-V-15100不同角度的显微照片,该标本被研究团队命名为“天使之翼”。图片来源:邢立达

“天使之翼”标本上层叠的飞羽清晰可见。图片来源:邢立达

“我从来没有奢望过我们能在琥珀里发现白垩纪的鸟类——兽脚类恐龙的后裔,”论文第一作者、中国地质大学(北京)的邢立达博士说, “但它们就真真切切地出现在你面前,我才意识到这是人类首次有机会看到真实的古鸟类。 ”

这两件标本来自著名琥珀产区缅甸北部克钦邦胡康河谷,包括两个鸟类翅膀和部分软组织,还保存了一些已灭绝的远古昆虫——后者也是化石真实性最为直接的证据。“标本来自白垩纪中期诺曼森阶,我们将其称之为‘天使之翼’与‘罗斯’标本”,第二作者、加拿大萨斯喀彻温省皇家博物馆的瑞安·麦凯勒(Ryan C. McKellar)教授介绍说,“标本非常小,天使之翼展开后为18毫米,而罗斯只有12毫米,这极小的尺寸、骨骼的发育情况、各指的比例,都表明标本为早熟性的幼鸟。”

经过几十年研究,恐龙时代古鸟类化石已经不再是难得一见的场景。但是绝大部分化石只能保存硬质结构,也就是鸟类的骨骼,这些化石虽然十分有用,但终归缺失了皮肤和羽毛等软组织的重要信息。少部分化石(譬如中国辽宁等地的白垩纪化石)保存在非常细腻的沉积岩中,软组织在岩石上留下了精细的印痕,保存了大量重要细节,但这也只是组织的印痕而非动物本身。直接在琥珀中找到古鸟类软组织,这还是首次。

琥珀都能保存什么?

琥珀是树脂经地质作用所形成的化石。“树脂”指的是部分植物专门分泌出来对抗捕食者和病原体的萜类化学物质,不是割开树皮就能流出来的树汁(后者是植物体内输送营养的液体,大部分是水)。树脂流出之后,除了失去挥发性物质并硬化之外,还会逐渐发生交联、聚合和环化等反应,最终成为化石。

因为树脂粘度非常高,所以沿树流下的时候很容易裹挟上小动物和植物叶片。但更重要的是,树脂能够让被包裹的组织快速脱水,从而极大地抑制了细菌和真菌对生物尸体的分解。一些保存非常精美的琥珀化石甚至能留存亚细胞结构,能够观察到细胞核、线粒体和叶绿体的存在。

标本DIP-V-15101不同角度的显微照片,该标本被研究团队命名为“罗斯”。图片来源:论文配图

罗斯标本半透明的羽毛和皮肤。图片来源:邢立达

但是保存了结构却不意味着保存了分子本身。一件化石可以在看起来完全保持了骨骼结构的同时,却拥有和骨骼毫无相似之处的化学成分。生物遗体变成化石所需经历的时间十分漫长,过程中会和各种各样其他物质接触,其原本的成分几乎肯定会被更加稳定的物质取代,最终获得的化石仅仅在外形上和原物一样,分子则基本全都变成了石头。

不过琥珀并不是普通化石,树脂基本隔绝了它和外部的接触,它能逃过一劫吗?

在20世纪80年代,有多个实验室发表结果认为能从琥珀中提取出DNA,一时间引人无限遐想。克莱顿的《侏罗纪公园》正是受到了这些结果的启发。遗憾的是,这些结果后来都无法成功复现,仔细检查发现获得的DNA几乎都是现代的,是污染产物。今天认为,那些结果是早期PCR技术缺陷所致。如果有DNA幸存,那也肯定断裂成短链了,但是早期扩增DNA严重偏向长链,只需痕量长链DNA污染就会导致假结果。改进技术之后的检测都找不到任何东西。

而进一步的研究发现,就算是木质素、纤维素和几丁质这样结实的大分子,在琥珀中也只能存在几万年几十万年。对于2500万年以上的多米尼加琥珀的研究表明,最结实的大分子经历如此漫长时间也已经面目全非。琥珀坚硬的外壳能够阻止生物组织坍塌、破坏结构,但是树脂分子本身依然可以和生物分子借助硫基团发生各种反应。

邢立达博士说:“缅甸琥珀标本的年龄近 1 亿年,即便使用超高灵敏新一代 DNA 测序技术也几无可能获得有价值的 DNA 片段,因此电影《侏罗纪公园》中恐龙场景目前依旧只能留在科幻里。 ”

因此,想依靠琥珀复活远古生物是不可能了——但是这不妨碍人们从中获得前所未有的精密结构细节。

早成的反鸟,曾经繁盛的旁支

根据骨骼判断,这两件标本属于鸟纲下的“反鸟类”。这个类群如此命名,是因为它的肩带骨骼关节组合与今天的鸟类正好相反。它们诞生在白垩纪,曾一度繁盛覆盖全球,辽西地区大量白垩纪鸟类化石(华夏鸟、始反鸟等等)都是反鸟亚纲成员,但反鸟类终究在白垩纪末期面临了和恐龙一样的灭绝命运。而与之相对的“今鸟类”则存续下来,并演化成了今天我们所见到的所有鸟类。

国际古生物协会前任主席、英国布里斯托大学的迈克尔 · 本顿(Micheal Benton)院士介绍道,这些反鸟类幼鸟标本已经具有了现代鸟类的羽毛类型,让我们得以从细微的角度观察到反鸟类幼鸟的羽毛生长方式,鸟翼骨骼形态学,以及羽囊、羽区和裸区等,这些细节皆是前所未见的。 

紫外线下能看到“天使之翼”标本上的流纹。图片来源:邢立达

两件标本目前暂时归属于同一物种,其尺寸很小,骨骼发育也不完全,因此它们都是幼鸟。但是它们的羽毛又已经发育到相当晚期的程度,初级飞羽和次级飞羽都已经十分明显。由此判断,它们应当是早成鸟:类似于今天的家鸡,出壳之后不久就能自主活动和觅食,而不需要留在巢中接受亲鸟喂养。

中国研究者在琥珀中找到恐龙时代的早期鸟类X射线CT重建获得的化石外形。图片来源:论文配图

论文作者之一,台北市立大学运动能力分析实验室的曾国维教授说: “‘天使之翼’标本中的双向爪痕,标本四周的大量腐败物,以及裸区暴露出的皂化外观,都表明标本至少在被树脂部分包裹时还依然活着,其大部分腐败过程在无氧环境中发生。而‘罗斯’标本则没有这些特征,说明它很可能来自一具尸体,在其接触树脂前就已经完全腐败。琥珀内没有大量腐败物和挣扎痕迹也可能是某种行为学的结果:掠食者撕下了鸟的翅膀,但没有食用,而是将它丢弃。 ”

“标本虽小,但极为难得,从某种意义上讲,它们是世界上最小的恐龙,其体长只有 3.5 厘米。” 论文作者之一、中科院古脊椎所的徐星研究员说, “ 标本表明反鸟类似乎已具有现生鸟类的大部分羽毛类型,在羽毛的排列方式、颜色和微结构上都非常相似。这是我们首次在如此大规模的细节上去了解反鸟类。 ”

虽然这些琥珀不能用作复活之用,但是依然有巨大的进一步研究空间。邢立达博士透露,除了此次发表的两件鸟类化石,同批琥珀还有一批其他脊椎动物标本正在研究中。“最终我们会看到一个强多样化的东南亚白垩纪中期脊椎动物群,这将是一个极其美妙的未来。”(编辑:Ent)

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