琥珀里又雙叒叕有大發現!9900萬年前的蛇寶寶

琥珀里又雙叒叕有大發現!9900萬年前的蛇寶寶
2018年07月20日 08:50 科學大家

  出品 | 新浪科技《科學大家》

  撰文 | 邢立達 中國地質大學(北京)副教授

  2016年初,一位熟悉的琥珀商人向我兜售一塊“鱷魚皮”,原因是這是一塊相當大的皮膚,我當時笑著接過標本,心想著這大概率是一只碩大的蜥蜴,但眼前奇怪的模式卻令我心里咯噔一下,如此均勻的菱形鱗片不由得想起蜥蜴的親戚:蛇,當即我就聯系了多年好友,廣東省生物資源應用研究所的蛇類研究專家張亮先生,張亮看了照片之后覺得很有趣,說:“由于身體結構的差異,蜥蜴身體的不同區域的鱗片形態并不一致,但蛇軀干上的鱗片其大小和形狀很均勻。蛇的鱗片比較柔軟,蜥蜴的則比較硬甚至還有皮內成骨?!边@塊琥珀出現的皮膚面積很大,鱗片的大小和形狀非常均勻,而且從鱗片形狀可以推斷是屬于某種蟒或蚺。至此,科學家團隊手頭上就有了緬甸琥珀中第一塊蛇類琥珀的證據。

邢立達

 

  隨后我聯系了就讀碩士時的母?!幽么蟀髮W生物系的主任,著名的古生物學家邁克爾·考德威爾教授(MichaelW.Caldwell),他對蛇、滄龍等有鱗目化石非常熟悉。邁克爾認同這塊琥珀中的皮膚屬于蛇類,并與我相約加拿大一起觀察標本。

琥珀中的蛇皮 攝影Ryan C.McKellar琥珀中的蛇皮 攝影Ryan C.McKellar

  科學的發現往往非常巧合,多年未見,而一旦出現,則往往并不孤獨。一個月后,就在我拿著蛇皮琥珀快要登機的時候,接到了石探記科學團隊的王寬來電,電話中的他心急火燎,“有一個蛇珀!你趕緊看看是不是!”。當時聽了之后我簡直興奮得顫抖,而看到照片之后他更是覺得不可思議——半條小蛇就這樣被困在琥珀中!科學家團隊就這樣得到了第二塊蛇類琥珀,而且是最重要的一塊,因為它有那么多的骨骼!有趣的是,這塊琥珀背后也有另一個故事。

世界首次發現蛇類琥珀,命名為曉蛇,緬甸曉蛇和對應的CT重建 攝影/白明世界首次發現蛇類琥珀,命名為曉蛇,緬甸曉蛇和對應的CT重建 攝影/白明

  這塊琥珀的發現者賈曉女士給我講述了這塊緬甸曉蛇琥珀的來歷?!?016年初,我在開一批琥珀的原石,其中一塊黑乎乎的料毫不起眼,我磨開了部分表皮之后,其中有一段動物包裹體和一些碳化的植物碎屑,是不是巨大的蜈蚣?我當時心里還蠻開心的,但在放大鏡下仔細觀察之后,我發現這些“蜈蚣腿”其實是在動物體內,很可能是一只殘破的小蜥蜴的肋骨而已,但它的身體有些長。因為蜥蜴琥珀我已經有幾塊了,而且此枚琥珀的珀體并不好看,所以我沒有繼續研磨而是將其收了起來。不久后,你不是發表了古鳥琥珀的新聞嗎,我看到新聞,才發現其中一件曾經與我陰差陽錯擦肩而過,這對于一個摯愛蟲珀的人來說,心里并不好受。我丈夫為了安慰我,拉著全家出去旅游散心,在香港轉機時,我路過一個小畫廊,其中一幅眼鏡蛇骨架的畫作非常精美,我多看了幾眼,突然一個念頭閃現,這幅畫里面的蛇骨和我此前那塊琥珀里的實在太像了!當我意識到被束之高閣的“蜥蜴”有可能是一條蛇的時候,我抑制不住內心的狂喜,提前改簽回到昆明,到今日我都清楚記得,當那條“蜥蜴”被磨去了全部了表皮,重新躺在我顯微鏡下面的時候,我心都要跳出來了,是的,它沒有腳,尾巴殘留的皮膚也不同于蜥蜴,我越看越詫異,我馬上聯系了我們石探記團隊的陳睿博士打電話,陳博士也很興奮,反復詢問我標本的特征,讓我拍了幾十張微距照片給他,后來陳博士聯系了你,當我帶著標本給你看時,把你激動壞了,拉著我的手說,這可是超級幸運的一天,此前只在琥珀中找到過蛇皮,但現在終于找到了蛇骨骼!”

  緬甸琥珀:科學研究的絕佳材料

  目前科學家研究的絕大多數琥珀都是從公開的琥珀市場購得。

  琥珀是樹脂的化石,自古便被中西方各國珍愛不已,沙皇打造琥珀宮、佛教七寶之一為琥珀、?;韬钅乖嶂邪l現蟲珀佩件,便是最好的例證。作為一種珠寶,緬甸琥珀在約兩千年前就已進入中國,并通過絲綢之路與歐洲市場連接。西方人直到1643年才搞清楚琥珀的產地,在那之前他們一直將緬甸琥珀稱為“中國琥珀”。

  2013年開始,隨著緬北地區局勢趨向平穩,琥珀產量增加,大量的琥珀從礦區到達密支那之后,逐漸在云南騰沖形成大型的琥珀市場,經過多重加工和交易,最終到達世界各地的消費者手上。與此同時,我們實驗室也陸續從各種渠道獲得了大量琥珀樣本。這些沒有經過腐化的動物肢體保存極為完好,具有與生前幾乎無異的細節,是研究古生物演化的科學家們夢寐以求的素材。

  此次研究的標本來自著名的琥珀產區——緬甸北部克欽邦胡岡谷地,它所處的區域有一個更著名的俗名——野人山。這片原始森林位于緬甸北方,東接我國云南省,周遭都是高聳入云的山嶺,胡岡谷地發現的脊椎動物琥珀為科學家提供了一個了解三維保存恐龍時代古生物的絕佳機會。

古鳥類琥珀古鳥類琥珀
蛙類琥珀蛙類琥珀

  數算起來,緬北礦區已經屢立奇功,為古生物研究提供了太多重要標本。2014年,我們在緬甸琥珀中找到了兩個古鳥類翅膀——分別被我們稱為“天使之翼”和“羅斯”,以及一個被我們稱為“伊娃”的非鳥恐龍尾部,并在2016年將它們公之于眾。那是人類首次看到如此鮮活的恐龍時代動物。此外,緬甸琥珀還保存了極為罕見的雛鳥琥珀,一只來自一億年前的小鳥近乎完整地容納在了琥珀中,它的頭部、頸椎、翅膀、腳部和尾部,以及大量相關的軟組織和皮膚結構,是以往石頭化石上所不可能保留的細節,為古鳥類研究提供了千載難逢的材料。2018年,我們又發現了海洋甲殼類——介形蟲以及蛙類,這些發現一經問世,就轟動了世界。

緬甸麗足介類標本 陳海瀅 攝緬甸麗足介類標本 陳海瀅 攝
藏有恐龍“伊娃”尾巴的琥珀藏有恐龍“伊娃”尾巴的琥珀

  我們團隊至今已收藏了數百件脊椎動物琥珀標本以及數千件無脊椎動物琥珀標本,除了古鳥類和非鳥恐龍的肢體外,還包括各種各樣的古鳥類羽毛或恐龍羽毛、各種不同的蜥蜴、壁虎、蠑螈、青蛙,甚至包括極難保存為化石的蛇類,它們包含的白堊紀世界的細節異常豐富。我有時想象,如果回溯到距今約一億年前,它們生活的時代是如何一番景象?

  白堊紀中期,正是地球歷史上地質變化最強烈的時期之一,聯合古陸進一步分離及破碎化,各地發生了強烈的海底擴張和頻繁的火山活動。此時的緬甸北部區域是一個古海洋邊緣,生長著一片繁茂的森林,這里的松柏類大樹參天,蕨類、苔蘚和被子植物則在較低處繁衍。比龍所處的世界是一片喧囂,蚊、蠅、蜂、螞蟻、甲蟲等昆蟲多種多樣,此外還有蜘蛛、蝎子、蜈蚣、馬陸等節肢動物在四處爬動、訪花、進食、爭斗。林間有大大小小的蜥蜴和青蛙時不時吞食著蟲兒,反鳥類和小恐龍則在林間、地面不停穿梭,找準目標,大快朵頤。

  所有這一切,都被時不時滴落的樹脂悄悄地記錄,又經過滄海桑田,在近兩千余年的歲月中,偶被發現、珍視、打磨,成為美麗的珠寶或重要的研究標本,帶我們穿越時光,一窺一億年前恐龍時代的崢嶸。

  我們數次造訪胡岡谷地,就是為了探究琥珀礦區的地質背景和取得琥珀樣本。通過對緬甸琥珀內含物的研究及對琥珀伴生火山灰的同位素測年,科學家最終確定緬甸琥珀形成于距今約9900萬年的白堊紀中期,由松柏類南洋杉的樹脂形成。

  此次新發現的蛇類化石指示了該地區有著更廣泛的生態多樣性,對晚中生代蛇類的全球分布性也有重要研究價值。與其它脊椎動物化石相比,蛇化石是極為稀有的。這可能是大多數蛇類骨骼的質地都不是很堅硬,能形成化石并保存下來非常不易。而且,此前人們也從未在琥珀中發現過蛇類。我們地質大學團隊和石探記科學團隊在2016年初陸續發現了這些蛇類琥珀,然后耗費了非常大的精力來重建骨骼的三維結構,研究表明,此次發表的標本是區別于以往所有蛇類的新物種,也是首次在琥珀中發現的新生蛇,這些標本表明古代蛇類曾在海洋邊緣的森林中生活。

  三維重建琥珀蛇骨骼

  蛇的祖先可以追溯到侏羅紀中期,比如1.67億年前的安氏黎明蛇(Eophisunderwoodi),但它們的化石比較破碎,提供的信息不多。當時間到了晚白堊世早期(約1億至9500萬年),蛇類已經有了全球性分布,南歐、非洲、北美、中東和南美都曾發現了蛇類化石,而且所有的標本都是發育成熟的蛇類,它們大多數失去了前肢,但有的還保留著小小、沒有多大作用的后肢。

  新發現的這兩件蛇類琥珀化石標本中,顯微CT為這些蛇類提供了了詳細的、立體的三維解剖結構,這批標本中最重要的一件,有些許腐爛,已經暴露出骨骼,這種情況反而對顯微CT等無損設備的成像十分有利,通過對CT數據的重建、分割和融合,學者們最終無損得到了所有骨骼的高清3D形態。

緬甸曉蛇的CT重建緬甸曉蛇的CT重建

  在顯微CT的幫助下,我們發現這個琥珀蛇的個體長4.75厘米,保存了鉸接式的顱后骨骼,包括了約97枚椎骨、肋骨和部分皮膚。這97枚椎骨中的前87節加上肋骨構成了軀干,剩余10節構成尾部。標本的單一椎骨非常小,軀干椎體長約0.5毫米,尾椎長約0.35毫米,其尺寸和形態上與管蛇科紅尾管蛇(Cylindrophisruffus)的新生蛇較為相似。雖然我們不知道這個個體一共有多少椎體,但參照同時代的斯莫里蛇類(simoliophiid)圣域哈氏蛇(Haasiophisterrasanctus),其頸椎與軀干椎共有155個,最大的椎骨位于第70至80節椎骨之間,因此我們推測這個琥珀蛇缺失了大約70節或者更多的椎骨,以及頸椎末端的顱骨。也就是說,如果標本完整,琥珀蛇的長度大約為9.5厘米。

  從骨學角度,此次發現的標本根據如下特征可以被定義為蛇類:明確可見的腹下椎骨(前泄殖腔椎骨)有87節,推測總共有160節,超過除了蚓蜥類(amphisbaenians)和雙足蜥類(dibamids)之外的所有細長的有鱗類動物,如帝 王蛇蜥(Pseudopusapodus)有55節的腹下椎骨。標本的脊椎骨還有著特化的椎弧凹與椎弧凸,這是蛇類的重要特征,這二個結構互相鑲嵌著形成球狀窩,使得蛇的每一節脊椎骨都能牢牢的相扣,并且又能轉動靈活。

  根據其骨學特征,學者將這件標本命名為緬甸曉蛇(Xiaophismyanmarensis)。屬名Xiaophis中的“Xiao”源自中文“曉”,向發現該枚琥珀的石探記聯合創始人、琥珀專家賈曉女士致敬,ophis為希臘語中的蛇;種名“myanmarensis”表明化石發現于緬甸。曉,這個字有著多層含義,不僅是收藏家的名字,也有破曉之意,暗示了這條蛇的原始,此外,也與小字同音,暗示著極小的標本。

  緬甸曉蛇的解剖學結構顯示了其作為現生蛇胚胎-新生蛇的特征。這些特征與東南亞地區紅尾管蛇的新生蛇,或水游蛇的胚胎(頭長5毫米)和新生蛇(頭長8毫米)相似,比如椎孔至少比椎體大兩倍,椎弓突和椎弓突關節無或弱骨化。重要的是,緬甸曉蛇還保存了骨骼個體發生的重要細節,例如椎弓突-椎弓凹關節開始沿神經弓板形成。

  除了骨骼,緬甸曉蛇還保存下來的帶鱗的皮膚,這些鱗片具菱形且很薄。我們知道,較大且呈矩形的腹鱗是大部分現代蛇的主要特征,可惜標本并沒有保存下來。學者發現的另一件蛇類標本是琥珀中的蛇皮,這件標本代表了一只大型蛇類的蛻皮,鱗片呈菱形或圓菱形,鱗片間的表皮上有深線。一些區域能看到顏色的變化,但很可能不是原來的色彩,此外還能觀察到圓形或環狀的花紋。這張蛇皮的主人體長可能可達60至70厘米,是當時緬甸琥珀森林的大型掠食者。

緬甸蛇類復原圖 繪圖劉毅緬甸蛇類復原圖 繪圖劉毅

  緬甸曉蛇的顱后骨骼顯示與其他白堊紀岡瓦納蛇類極高的相似性,如阿根廷發現的、距今9000萬年的狡蛇(Najash)和恐蛇(Dinilysia)。將緬甸曉蛇加入到早期蛇的系統發生分析中后發現,緬甸曉蛇位于岡瓦納基干類群中,如狡蛇(Najash)、恐蛇(Dinilysia)和古裂口蛇(Sanajeh)及現代蛇(冠群)之間。緬甸曉蛇的形態與這些基干岡瓦納化石蛇類似,而且位于后者和蛇類冠群之間,這些特征都表明它們是蛇類冠群的祖先。

  此次發現的兩枚琥珀都富含昆蟲、昆蟲糞便和植物殘留物,這些琥珀內含物提供了獨特的森林生態系統記錄。緬甸琥珀中保存的一些植物(如苔蘚類,竹狀的單子葉植物)和無脊椎動物(如有爪類、盜蛛類、盲蛛類、蚧殼蟲類)都表明,這是一個包含有淡水棲息地的、潮濕溫暖的熱帶雨林生態系統。海生介形類的存在則表明,部分琥珀森林亦瀕臨海岸線。有趣的是,森諾曼階幾乎所有已知蛇類都表現了水生適應性或發現于河流沉積物中,而與陸地生活習性無關。此前唯一存在的例外是來自岡瓦納阿根廷森諾曼階濕地-干旱生態系統中的狡蛇。而緬甸曉蛇是首次在中生代森林環境中發現的蛇類,表明早期蛇類的生態多樣性比以前的認為地更為多樣。

緬甸曉蛇復原圖 繪圖劉毅緬甸曉蛇復原圖 繪圖劉毅

  從古地理角度,緬甸蛇類生存于南岡瓦納的島弧系統中,后成為勞亞大陸東緣的一部分。這些蛇琥珀位于勞亞大陸東部(印度除外,其只在新生代時期屬于歐亞大陸),是中生代蛇類記錄的重要的新基準點,其明確表明蛇類在至少1億年前就已經完成了在各緯度的分布。

  假設緬甸曉蛇可能從水生蛇類演化而來,后來遷徙到了外來地塊的島嶼陸生環境中;特提斯海里廣泛分布著多種森諾曼階海生蛇,南美最近也發現森諾曼階的海生蛇,這都表明在陸生和水生環境中的蛇類多樣性出乎我們的意料。

  總的來說,緬甸曉蛇等蛇類琥珀的發現,是人類首次在琥珀中找到蛇類,也是首次在化石記錄中發現新生蛇,其個體發生學特征在蛇類化石中可以說是史無前例,這些琥珀為自然界最成功和最具代表性的動物群之一提供了絕佳的演化線索。

  注:該研究由中國地質大學(北京)的邢立達副教授,加拿大艾伯塔大學的邁克爾·考德威爾教授(MichaelW.Caldwell),中國科學院動物研究所的陳睿博士、白明副研究員和劉曄博士,美國中西大學蘭德爾·尼達姆教授(RandallL.Nydam)、澳大利亞南澳大利亞博物館邁克·李教授(MikeLee),亞歷山大·帕爾奇博士(AlessandroPalci)、北京林業大學史宏亮博士、石探記科學團隊的王寬等學者共同研究。研究論文發表于國際頂級雜志《科學》(Science)旗下子刊《科學進展》(ScienceAdvances,影響因子為11.511)上。據悉,該課題研究獲得了國家自然科學基金委“國家自然科學基金重大項目”“國家自然科學基金面上項目”以及美國國家地理學會等項目的資助。

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