琥珀里又双叒叕有大发现!9900万年前的蛇宝宝

琥珀里又双叒叕有大发现!9900万年前的蛇宝宝
2018年07月20日 08:50 科学大家

  出品 | 新浪科技《科学大家》

  撰文 | 邢立达 中国地质大学(北京)副教授

  2016年初,一位熟悉的琥珀商人向我兜售一块“鳄鱼皮”,原因是这是一块相当大的皮肤,我当时笑着接过标本,心想着这大概率是一只硕大的蜥蜴,但眼前奇怪的模式却令我心里咯噔一下,如此均匀的菱形鳞片不由得想起蜥蜴的亲戚:蛇,当即我就联系了多年好友,广东省生物资源应用研究所的蛇类研究专家张亮先生,张亮看了照片之后觉得很有趣,说:“由于身体结构的差异,蜥蜴身体的不同区域的鳞片形态并不一致,但蛇躯干上的鳞片其大小和形状很均匀。蛇的鳞片比较柔软,蜥蜴的则比较硬甚至还有皮内成骨。”这块琥珀出现的皮肤面积很大,鳞片的大小和形状非常均匀,而且从鳞片形状可以推断是属于某种蟒或蚺。至此,科学家团队手头上就有了缅甸琥珀中第一块蛇类琥珀的证据。

邢立达

 

  随后我联系了就读硕士时的母校——加拿大艾伯塔大学生物系的主任,著名的古生物学家迈克尔·考德威尔教授(MichaelW.Caldwell),他对蛇、沧龙等有鳞目化石非常熟悉。迈克尔认同这块琥珀中的皮肤属于蛇类,并与我相约加拿大一起观察标本。

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

  科学的发现往往非常巧合,多年未见,而一旦出现,则往往并不孤独。一个月后,就在我拿着蛇皮琥珀快要登机的时候,接到了石探记科学团队的王宽来电,电话中的他心急火燎,“有一个蛇珀!你赶紧看看是不是!”。当时听了之后我简直兴奋得颤抖,而看到照片之后他更是觉得不可思议——半条小蛇就这样被困在琥珀中!科学家团队就这样得到了第二块蛇类琥珀,而且是最重要的一块,因为它有那么多的骨骼!有趣的是,这块琥珀背后也有另一个故事。

世界首次发现蛇类琥珀,命名为晓蛇,缅甸晓蛇和对应的CT重建 摄影/白明世界首次发现蛇类琥珀,命名为晓蛇,缅甸晓蛇和对应的CT重建 摄影/白明

  这块琥珀的发现者贾晓女士给我讲述了这块缅甸晓蛇琥珀的来历。“2016年初,我在开一批琥珀的原石,其中一块黑乎乎的料毫不起眼,我磨开了部分表皮之后,其中有一段动物包裹体和一些碳化的植物碎屑,是不是巨大的蜈蚣?我当时心里还蛮开心的,但在放大镜下仔细观察之后,我发现这些“蜈蚣腿”其实是在动物体内,很可能是一只残破的小蜥蜴的肋骨而已,但它的身体有些长。因为蜥蜴琥珀我已经有几块了,而且此枚琥珀的珀体并不好看,所以我没有继续研磨而是将其收了起来。不久后,你不是发表了古鸟琥珀的新闻吗,我看到新闻,才发现其中一件曾经与我阴差阳错擦肩而过,这对于一个挚爱虫珀的人来说,心里并不好受。我丈夫为了安慰我,拉着全家出去旅游散心,在香港转机时,我路过一个小画廊,其中一幅眼镜蛇骨架的画作非常精美,我多看了几眼,突然一个念头闪现,这幅画里面的蛇骨和我此前那块琥珀里的实在太像了!当我意识到被束之高阁的“蜥蜴”有可能是一条蛇的时候,我抑制不住内心的狂喜,提前改签回到昆明,到今日我都清楚记得,当那条“蜥蜴”被磨去了全部了表皮,重新躺在我显微镜下面的时候,我心都要跳出来了,是的,它没有脚,尾巴残留的皮肤也不同于蜥蜴,我越看越诧异,我马上联系了我们石探记团队的陈睿博士打电话,陈博士也很兴奋,反复询问我标本的特征,让我拍了几十张微距照片给他,后来陈博士联系了你,当我带着标本给你看时,把你激动坏了,拉着我的手说,这可是超级幸运的一天,此前只在琥珀中找到过蛇皮,但现在终于找到了蛇骨骼!”

  缅甸琥珀:科学研究的绝佳材料

  目前科学家研究的绝大多数琥珀都是从公开的琥珀市场购得。

  琥珀是树脂的化石,自古便被中西方各国珍爱不已,沙皇打造琥珀宫、佛教七宝之一为琥珀、海昏侯墓葬中发现虫珀佩件,便是最好的例证。作为一种珠宝,缅甸琥珀在约两千年前就已进入中国,并通过丝绸之路与欧洲市场连接。西方人直到1643年才搞清楚琥珀的产地,在那之前他们一直将缅甸琥珀称为“中国琥珀”。

  2013年开始,随着缅北地区局势趋向平稳,琥珀产量增加,大量的琥珀从矿区到达密支那之后,逐渐在云南腾冲形成大型的琥珀市场,经过多重加工和交易,最终到达世界各地的消费者手上。与此同时,我们实验室也陆续从各种渠道获得了大量琥珀样本。这些没有经过腐化的动物肢体保存极为完好,具有与生前几乎无异的细节,是研究古生物演化的科学家们梦寐以求的素材。

  此次研究的标本来自著名的琥珀产区——缅甸北部克钦邦胡冈谷地,它所处的区域有一个更著名的俗名——野人山。这片原始森林位于缅甸北方,东接我国云南省,周遭都是高耸入云的山岭,胡冈谷地发现的脊椎动物琥珀为科学家提供了一个了解三维保存恐龙时代古生物的绝佳机会。

古鸟类琥珀古鸟类琥珀
蛙类琥珀蛙类琥珀

  数算起来,缅北矿区已经屡立奇功,为古生物研究提供了太多重要标本。2014年,我们在缅甸琥珀中找到了两个古鸟类翅膀——分别被我们称为“天使之翼”和“罗斯”,以及一个被我们称为“伊娃”的非鸟恐龙尾部,并在2016年将它们公之于众。那是人类首次看到如此鲜活的恐龙时代动物。此外,缅甸琥珀还保存了极为罕见的雏鸟琥珀,一只来自一亿年前的小鸟近乎完整地容纳在了琥珀中,它的头部、颈椎、翅膀、脚部和尾部,以及大量相关的软组织和皮肤结构,是以往石头化石上所不可能保留的细节,为古鸟类研究提供了千载难逢的材料。2018年,我们又发现了海洋甲壳类——介形虫以及蛙类,这些发现一经问世,就轰动了世界。

缅甸丽足介类标本 陈海滢 摄缅甸丽足介类标本 陈海滢 摄
藏有恐龙“伊娃”尾巴的琥珀藏有恐龙“伊娃”尾巴的琥珀

  我们团队至今已收藏了数百件脊椎动物琥珀标本以及数千件无脊椎动物琥珀标本,除了古鸟类和非鸟恐龙的肢体外,还包括各种各样的古鸟类羽毛或恐龙羽毛、各种不同的蜥蜴、壁虎、蝾螈、青蛙,甚至包括极难保存为化石的蛇类,它们包含的白垩纪世界的细节异常丰富。我有时想象,如果回溯到距今约一亿年前,它们生活的时代是如何一番景象?

  白垩纪中期,正是地球历史上地质变化最强烈的时期之一,联合古陆进一步分离及破碎化,各地发生了强烈的海底扩张和频繁的火山活动。此时的缅甸北部区域是一个古海洋边缘,生长着一片繁茂的森林,这里的松柏类大树参天,蕨类、苔藓和被子植物则在较低处繁衍。比龙所处的世界是一片喧嚣,蚊、蝇、蜂、蚂蚁、甲虫等昆虫多种多样,此外还有蜘蛛、蝎子、蜈蚣、马陆等节肢动物在四处爬动、访花、进食、争斗。林间有大大小小的蜥蜴和青蛙时不时吞食着虫儿,反鸟类和小恐龙则在林间、地面不停穿梭,找准目标,大快朵颐。

  所有这一切,都被时不时滴落的树脂悄悄地记录,又经过沧海桑田,在近两千余年的岁月中,偶被发现、珍视、打磨,成为美丽的珠宝或重要的研究标本,带我们穿越时光,一窥一亿年前恐龙时代的峥嵘。

  我们数次造访胡冈谷地,就是为了探究琥珀矿区的地质背景和取得琥珀样本。通过对缅甸琥珀内含物的研究及对琥珀伴生火山灰的同位素测年,科学家最终确定缅甸琥珀形成于距今约9900万年的白垩纪中期,由松柏类南洋杉的树脂形成。

  此次新发现的蛇类化石指示了该地区有着更广泛的生态多样性,对晚中生代蛇类的全球分布性也有重要研究价值。与其它脊椎动物化石相比,蛇化石是极为稀有的。这可能是大多数蛇类骨骼的质地都不是很坚硬,能形成化石并保存下来非常不易。而且,此前人们也从未在琥珀中发现过蛇类。我们地质大学团队和石探记科学团队在2016年初陆续发现了这些蛇类琥珀,然后耗费了非常大的精力来重建骨骼的三维结构,研究表明,此次发表的标本是区别于以往所有蛇类的新物种,也是首次在琥珀中发现的新生蛇,这些标本表明古代蛇类曾在海洋边缘的森林中生活。

  三维重建琥珀蛇骨骼

  蛇的祖先可以追溯到侏罗纪中期,比如1.67亿年前的安氏黎明蛇(Eophisunderwoodi),但它们的化石比较破碎,提供的信息不多。当时间到了晚白垩世早期(约1亿至9500万年),蛇类已经有了全球性分布,南欧、非洲、北美、中东和南美都曾发现了蛇类化石,而且所有的标本都是发育成熟的蛇类,它们大多数失去了前肢,但有的还保留着小小、没有多大作用的后肢。

  新发现的这两件蛇类琥珀化石标本中,显微CT为这些蛇类提供了了详细的、立体的三维解剖结构,这批标本中最重要的一件,有些许腐烂,已经暴露出骨骼,这种情况反而对显微CT等无损设备的成像十分有利,通过对CT数据的重建、分割和融合,学者们最终无损得到了所有骨骼的高清3D形态。

缅甸晓蛇的CT重建缅甸晓蛇的CT重建

  在显微CT的帮助下,我们发现这个琥珀蛇的个体长4.75厘米,保存了铰接式的颅后骨骼,包括了约97枚椎骨、肋骨和部分皮肤。这97枚椎骨中的前87节加上肋骨构成了躯干,剩余10节构成尾部。标本的单一椎骨非常小,躯干椎体长约0.5毫米,尾椎长约0.35毫米,其尺寸和形态上与管蛇科红尾管蛇(Cylindrophisruffus)的新生蛇较为相似。虽然我们不知道这个个体一共有多少椎体,但参照同时代的斯莫里蛇类(simoliophiid)圣域哈氏蛇(Haasiophisterrasanctus),其颈椎与躯干椎共有155个,最大的椎骨位于第70至80节椎骨之间,因此我们推测这个琥珀蛇缺失了大约70节或者更多的椎骨,以及颈椎末端的颅骨。也就是说,如果标本完整,琥珀蛇的长度大约为9.5厘米。

  从骨学角度,此次发现的标本根据如下特征可以被定义为蛇类:明确可见的腹下椎骨(前泄殖腔椎骨)有87节,推测总共有160节,超过除了蚓蜥类(amphisbaenians)和双足蜥类(dibamids)之外的所有细长的有鳞类动物,如帝 王蛇蜥(Pseudopusapodus)有55节的腹下椎骨。标本的脊椎骨还有着特化的椎弧凹与椎弧凸,这是蛇类的重要特征,这二个结构互相镶嵌着形成球状窝,使得蛇的每一节脊椎骨都能牢牢的相扣,并且又能转动灵活。

  根据其骨学特征,学者将这件标本命名为缅甸晓蛇(Xiaophismyanmarensis)。属名Xiaophis中的“Xiao”源自中文“晓”,向发现该枚琥珀的石探记联合创始人、琥珀专家贾晓女士致敬,ophis为希腊语中的蛇;种名“myanmarensis”表明化石发现于缅甸。晓,这个字有着多层含义,不仅是收藏家的名字,也有破晓之意,暗示了这条蛇的原始,此外,也与小字同音,暗示着极小的标本。

  缅甸晓蛇的解剖学结构显示了其作为现生蛇胚胎-新生蛇的特征。这些特征与东南亚地区红尾管蛇的新生蛇,或水游蛇的胚胎(头长5毫米)和新生蛇(头长8毫米)相似,比如椎孔至少比椎体大两倍,椎弓突和椎弓突关节无或弱骨化。重要的是,缅甸晓蛇还保存了骨骼个体发生的重要细节,例如椎弓突-椎弓凹关节开始沿神经弓板形成。

  除了骨骼,缅甸晓蛇还保存下来的带鳞的皮肤,这些鳞片具菱形且很薄。我们知道,较大且呈矩形的腹鳞是大部分现代蛇的主要特征,可惜标本并没有保存下来。学者发现的另一件蛇类标本是琥珀中的蛇皮,这件标本代表了一只大型蛇类的蜕皮,鳞片呈菱形或圆菱形,鳞片间的表皮上有深线。一些区域能看到颜色的变化,但很可能不是原来的色彩,此外还能观察到圆形或环状的花纹。这张蛇皮的主人体长可能可达60至70厘米,是当时缅甸琥珀森林的大型掠食者。

缅甸蛇类复原图 绘图刘毅缅甸蛇类复原图 绘图刘毅

  缅甸晓蛇的颅后骨骼显示与其他白垩纪冈瓦纳蛇类极高的相似性,如阿根廷发现的、距今9000万年的狡蛇(Najash)和恐蛇(Dinilysia)。将缅甸晓蛇加入到早期蛇的系统发生分析中后发现,缅甸晓蛇位于冈瓦纳基干类群中,如狡蛇(Najash)、恐蛇(Dinilysia)和古裂口蛇(Sanajeh)及现代蛇(冠群)之间。缅甸晓蛇的形态与这些基干冈瓦纳化石蛇类似,而且位于后者和蛇类冠群之间,这些特征都表明它们是蛇类冠群的祖先。

  此次发现的两枚琥珀都富含昆虫、昆虫粪便和植物残留物,这些琥珀内含物提供了独特的森林生态系统记录。缅甸琥珀中保存的一些植物(如苔藓类,竹状的单子叶植物)和无脊椎动物(如有爪类、盗蛛类、盲蛛类、蚧壳虫类)都表明,这是一个包含有淡水栖息地的、潮湿温暖的热带雨林生态系统。海生介形类的存在则表明,部分琥珀森林亦濒临海岸线。有趣的是,森诺曼阶几乎所有已知蛇类都表现了水生适应性或发现于河流沉积物中,而与陆地生活习性无关。此前唯一存在的例外是来自冈瓦纳阿根廷森诺曼阶湿地-干旱生态系统中的狡蛇。而缅甸晓蛇是首次在中生代森林环境中发现的蛇类,表明早期蛇类的生态多样性比以前的认为地更为多样。

缅甸晓蛇复原图 绘图刘毅缅甸晓蛇复原图 绘图刘毅

  从古地理角度,缅甸蛇类生存于南冈瓦纳的岛弧系统中,后成为劳亚大陆东缘的一部分。这些蛇琥珀位于劳亚大陆东部(印度除外,其只在新生代时期属于欧亚大陆),是中生代蛇类记录的重要的新基准点,其明确表明蛇类在至少1亿年前就已经完成了在各纬度的分布。

  假设缅甸晓蛇可能从水生蛇类演化而来,后来迁徙到了外来地块的岛屿陆生环境中;特提斯海里广泛分布着多种森诺曼阶海生蛇,南美最近也发现森诺曼阶的海生蛇,这都表明在陆生和水生环境中的蛇类多样性出乎我们的意料。

  总的来说,缅甸晓蛇等蛇类琥珀的发现,是人类首次在琥珀中找到蛇类,也是首次在化石记录中发现新生蛇,其个体发生学特征在蛇类化石中可以说是史无前例,这些琥珀为自然界最成功和最具代表性的动物群之一提供了绝佳的演化线索。

  注:该研究由中国地质大学(北京)的邢立达副教授,加拿大艾伯塔大学的迈克尔·考德威尔教授(MichaelW.Caldwell),中国科学院动物研究所的陈睿博士、白明副研究员和刘晔博士,美国中西大学兰德尔·尼达姆教授(RandallL.Nydam)、澳大利亚南澳大利亚博物馆迈克·李教授(MikeLee),亚历山大·帕尔奇博士(AlessandroPalci)、北京林业大学史宏亮博士、石探记科学团队的王宽等学者共同研究。研究论文发表于国际顶级杂志《科学》(Science)旗下子刊《科学进展》(ScienceAdvances,影响因子为11.511)上。据悉,该课题研究获得了国家自然科学基金委“国家自然科学基金重大项目”“国家自然科学基金面上项目”以及美国国家地理学会等项目的资助。

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