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从严格的科学意义上讲,我们今天的地球上依然有一万多种恐龙

从严格的科学意义上讲,我们今天的地球上依然有一万多种恐龙

本文来自微信公众号:,作者:徐星。



徐星, 中科院古脊椎动物与古人类研究所研究员。


鸟类起源的研究始于150年前,应该说整个研究历史是跌宕起伏,有时候争论得非常激烈,超出了科学的范畴。一个科学研究的问题为什么会争论这么激烈?巨大的恐龙怎么样变成了鸟类?这就是我今天要跟大家分享的。


以下根据徐星演讲整理:


恐龙与鸟


大家晚上好,我是来自中国科学院的一个做基础科学研究的古生物学家,今天跟大家分享的是发生在生命历史当中的一段故事。


我们知道生命世界是多样的,从简单的单细胞生物到像我们人这么复杂的高等生物,这种多样性不仅体现在不同的物种之间,也体现在同一个物种的个体之间。


像图上的特朗普大家知道是一个另类的政治人物,虽然招人讨厌,但是这正彰显了生命世界的特点,就是多样性。



生命世界的另外一个特点叫共祖性。简单地说,我们所有生活在今天地球上的数以百万计的生物,都可以追寻它的祖先到大概40亿年前。从那个时候生命之树开始分叉出现,然后形成我们今天这个纷繁复杂的世界。


所以从包括我们人在内的现代生物,乃至我自己研究的恐龙,甚至是个西瓜,美丽的鲜花,都跟我们有共同的祖先。


说到恐龙,大家可能很感兴趣,也有很多问题。比如说恐龙为什么长这么大。另外我经常碰到的问题就是,恐龙为什么会灭绝,或者说它是怎么灭绝的。这些问题确实是恐龙研究当中公众非常感兴趣的问题,实际上也是科学家感兴趣的问题。


但是大家可能知道得少一点的是,实际上在恐龙演化过程当中还有一个重要的事件,就是鸟类起源。简单地说就是恐龙的一支慢慢变成了鸟类。如果没有这个演化事件,大家可以想象我们今天的地球会是不同的样子。



鸟类起源的研究始于150年前,应该说整个研究历史是跌宕起伏,有时候争论得非常激烈,超出了科学的范畴。举个例子说,包括我个人就多次被批判过。不光是说学术观点,甚至有人从人身上来批判我,觉得我有点说疯话。


为什么会有这种现象?一个科学研究的问题为什么会争论这么激烈?巨大的恐龙怎么样变成了鸟类?这就是我今天要跟大家分享的。


恐龙变成鸟类是演化理论的一部分。说到达尔文的演化理论或者进化论,大家都知道是个伟大的理论,但是依然有很多的人并不认可它。其中一个理由就是,如果演化是真实的,那么应该存在许多过渡性物种,但似乎这一现象并不存在。


为什么人们会觉得过渡性物种并不存在呢?我们可以拿这个简单的生命之树来解释。最上面绿色的小叶子代表跟今天人类生活在同一时期的各种各样的生物。在绿叶子下面是很多黄色的小叶子,大家可以看时间标识,从大概40亿年前一直到今年2018年。



什么意思呢?我们如果想发现过渡的物种,这些物种一定在黄色的区域,而这个区域我们今天已经看不见了,所以这是很难看见过渡物种的原因之一。


当然原因之二,实际上即便是在黄色叶子区域当中,这些过渡物种也是其中的一小部分,比如说接近树干或者树枝的那些小叶子。累积效应,我们就很难发现这种过渡的物种。


尽管如此,科学家还是通过努力在化石记录当中发现了一些很重要的过渡物种。比如说发现于德国的始祖鸟。大家看始祖鸟的模样,它嘴巴里长着尖尖的牙齿,手上的爪子很尖锐,长着一个长长的古稚尾巴。这个特点跟爬行动物是很像的。



另一方面它身体上长着羽毛,又跟鸟类比较像。所以这两个特征绑在一起,形成了非常完美的过渡物种的形态。


始祖鸟的发现在很大程度上促使了达尔文的好友赫胥黎,在1868年的时候提出了一种理论 ,叫作鸟类可能是来自恐龙的。他为什么这么说呢,很简单,如果对比始祖鸟和当时发现的一种小型肉食性恐龙,叫作恐爪龙,会发现它们是非常相似的。 


▲恐爪龙化石


一个显而易见的相似性就是这两种动物都是两条腿走路。我们知道在现在的自然界,两条腿走路的动物还是比较少的。


科学家恢复生命之树,或者发现不同物种的祖先和后裔就是通过这种相似性来复原的。这种相似性有时候来自身体表面,比如说骨骼、肌肉;有时候来自微观看不见的东西,比如说DNA。正是基于各种各样的存在于恐龙和鸟类之间的相似性,科学家现在相信恐龙变成了鸟类。


其中有一个学者贡献非常非常大,他是来自耶鲁大学的John Harold Ostrom教授。他的很重要的工作就是研究恐爪龙,然后把它和始祖鸟——刚才讲到的最早的鸟类进行对比。他发现这两种动物的手几乎是一模一样的,这些发现让他相信恐龙变成了鸟类。



不过,这一假说还存在一系列问题需要解决,比如同源问题。


不同种类的生物常常共享相似结构,但这些相似结构的来源不同:一些相似性源自共同祖先,这叫作同源,比如人的胳膊、马的前腿以及鸽子的翅膀。虽然看似形态各异,但基本结构是一样的,从来源上看,都源自泥盆纪时期一种肉鳍鱼类的粗壮胸鳍。


另外一些相似结构产生的原因,是它们有相似的功能,我们称之为趋同演化。就像鲨鱼、鱼龙和海豚都有鳍,表面看起来很相似,但它们的基本结构不同,来自不同的祖先,它们之所以相似,是都需要执行游泳的功能。



反对恐龙起源假说的学者认为,鸟类和恐龙之间的相似性,包括刚才讲的手部的相似性,不是源自同一祖先,而是来自于趋同演化。


是不是这样呢?我们首先来看看刚才讲到的手部的相似性,到底是趋同演化产生的,还是同源的。


这是一个美丽的鸟的翅膀,鸟的翅膀下面是一些奇形怪状的骨头,这些骨头实际上代表鸟的手。如果你想看它到底长什么样,可以去吃一个鸡翅,把肉啃干净以后,会发现长的这样形状的一个鸟的手。当然你吃的时候要小心一点,很可能会破坏科学的信息。


这个鸟有高度变形的3个手指。我们自己的手有5个手指,手指数目显然不同于鸟类。实际上5个手指代表一种原始状态,从这个角度上说,我们人类是原始的。



在生命演化过程中,手指和脚趾的数目在许多四足动物当中都发生了变化,有的从5个手指和脚趾变为4个手指和脚趾,有的变为3个,有的甚至只剩下一个功能性的手指和脚趾,比如我们熟悉的马。


这些动物退化了哪些手指或者脚趾,剩下了哪些手指或者脚趾,这个看似无聊的问题却是许多科学家关注的。因为这些问题会帮助我们理解生命演化,甚至有时候还会超出对生命演化的理解。


如果我们进行对应的话,有一个问题可以问,鸟类的这三个手指相当于我们人的哪三个手指?


如果你问一个研究化石的古生物学家,他会告诉你,你看原始的恐龙,它有五个手指,也像我们人一样。但是在恐龙演化的过程当中,外侧的两个手指,也就是小拇指和无名指就会退化掉,所以有些恐龙变成三个手指。



三个手指的恐龙最后变成了有三个手指的鸟类,就是我们今天熟悉的鸟类。这样简单的逻辑推论,你问一个小学生他都会举手回答你,鸟类现在剩下的三个手指相当于我们内侧的三个手指头,也就是一二三指,因为它退化了两个外侧的手指头。



科学研究是这么简单的吗?显然不是的,如果这么简单,我想每个人都愿意去做这个事情。


有些科学家从不同的渠道进行了研究。研究现代生物的科学家,比如说研究胚胎发育的,他们在观察鸟类胚胎发育的过程当中得到了不同的答案。


如果观察一个蛋的孵化过程,会发现鸟在孵化的过程当中,最早也像我们人一样有五个手指。但是不知道什么原因,大拇指和小拇指突然罢工了,不愿意再生长了,所以最后成年鸟长出来的三个手指头是中间的这三个手指。



或者换句话说,鸟类现在的手指不是刚才我讲的像恐龙化石的一二三,而是二三四,是中间的这三个手指头。这样的数据就产生一个明显的矛盾,化石的数据和胚胎发育的数据打架了。


对于反对恐龙起源假说的学者来说这是好消息。他们认为,就像鲨鱼、鱼龙和海豚的鳍一样,似鸟恐龙和早期鸟类手部结构的相似性是表面性的,不是同源的,这样就证伪了恐龙起源假说,否定了恐龙和鸟类的祖裔关系。


但是从科学哲学的角度我们认为这是不成立的,因为科学哲学证伪理论要比这个复杂得多。在经典物理学中,一个负面证据可以推翻整个理论;但在生物学和地质学等复杂学科中,一个负面证据不足以挑战一个得到许多其他证据支持的假说,证伪不能过于简单。


因此,即便以上有关手指的同源判断是对的,也不能就此否定恐龙起源假说。不过,从研究演化的角度,这确实是一个很有意思的问题:化石和胚胎发育的证据存在明显的矛盾,我们怎么去解释这样的矛盾?


其实有的矛盾对科学家来说是非常好的,我们都知道,许多重要的科学突破和科学革命,恰恰来自于已有的数据或者已有理论产生的矛盾。比如说在物理学当中产生了几次物理革命,就是由于当时的一些理论和数据产生了矛盾。


当然鸟类起源手指同源问题的矛盾没法跟物理学的矛盾相提并论,但是它依然指示了这可能是个很有意思的问题。我们怎么样去解答这个问题,对于科学研究来说有很多方式可以开展工作,我今天就说常见的两种。一种叫作数据驱动型,一种叫作假说驱动型。


科学家在研究问题的时候先提一个假说,然后再去找证据来验证这个假说,叫作假说驱动型。


数据驱动型是什么方式呢?我们做科学问题的时候会采集很多数据,有点像今天的大数据分析一样,通过数据分析看它的规律,如果找到了规律,会形成自己的假说和理论。当然这两种方式可以交叉使用。


对于研究古生物学的人来说,最重要的是要找到化石证据。而且我们知道,化石是决定一个进化理论正确与否的一个终极判断的标准。研究化石经常使用的是第二种研究方式,通过数据驱动型,找到很多的数据,然后会发现规律。


我们没想到的是,从2000年开始,我们在新疆五彩湾,一个戈壁沙漠地区,找到了一些化石,这个化石提供了一些很有意思的数据,帮助我们解决这个问题。



这是一个野外场景,有很多小帐篷,我们每天都住在帐篷里。在找化石过程当中有中国的科学家,有外国的科学家,我注意到一个现象,就是中国的科学家都喜欢把帐篷扎在一起,但是外国的科学家不愿意扎在一起,越远越好。当然这是一个题外话。


去找化石不是很容易的,因为这是戈壁沙漠地区,大家可以想象,非常干旱、炎热,有时候还有其他的一些危险,来自毒虫的,来自野兽的,还有其他方方面面的危险。



我们克服了很多困难找化石,努力的工作还是得到了一些回报。我们找到了很多漂亮的化石,其中有一种化石就帮助我们回答刚才讲到的那个矛盾的问题。


这些化石代表一个恐龙新物种,我们给它起名为泥潭龙。这个化石是很完整、很漂亮的,当然完整、漂亮不重要,最关键的是它保存的信息——它保存了一个完整的手。



泥潭龙有一个地方跟原来我们见过的所有恐龙化石不一样。我刚才讲了,化石证据显示,在向鸟类演化的支系上,恐龙逐渐退化和丢失了外侧两个手指,剩下内侧三个手指,所以它一般都有一个很大的大拇指。但泥潭龙恰恰例外,它有一个很小的大拇指。



这是一个什么样的发现呢?我们可以把科学发现大致分成三类。如果用比较文学化的语言来形容,第一种发现叫作锦上添花型,一般是为主流科学假说添砖加瓦;第二种叫作雪中送炭型,一般是为非主流假说奠定基础的;当然第三种科学发现我觉得最重要,翻天覆地型,把过去的认知彻底改变。


我自己觉得这个发现就相当于翻天覆地的,它提供的信息完全改变了我们过去对恐龙演化的一个认知。正是由于这个原因,研究的过程非常困难,包括我们怎么解释这个化石,怎么分析数据,产生了很大的争议。


即便我们写完了论文,在投稿的时候也发生了很多次的争议。当然所幸最后我们通过了评审,发表了文章。


简单地说,泥潭龙的发现促使我们重新审视古生物学和发育生物学证据,提出恐龙丢失的不是外侧两个手指,而是最内侧的大拇指和最外侧的小拇指,因此似鸟恐龙有着和现生鸟类一样的中间三个手指。这是我要讲的第一个故事。


应该说恐龙假说取得了越来越多的进步,得到了很多化石证据的支持,实际上还是有些学者不接受这个假说。我想其中的一个原因来自这些学者心理上的感受。这么巨大的动物,变成了如此小巧的鸟类,这样一个心理上的转化,不仅在公众当中存在,实际上对科研人员来说也是存在的。


由于这个原因,有一些学者从来也不愿意接受恐龙变成鸟类的假说,他们采取各种各样极端的方式来表达反对。有学者甚至用徽章的方式来表达他们对这个假说的愤怒。



实际上这种固执在科学界并不是罕见的,很多科学家都是很固执的。最著名的例子大家知道是爱因斯坦,他是量子力学的开创者之一,但实际上他对于本质上非决定论的量子力学是厌恶的。所以才有了上帝掷骰子这样一个名言。



不管怎样,厌恶也好,反对也好,恐龙起源这个假说还是在继续前进,得到了越来越多化石证据的支持。比如说我们发现恐龙世界并不都是庞大的物种,其实很多的恐龙是很小的。


这是我们在辽宁发现的一种小恐龙,叫寐龙,它已经成年了,可以站在手掌中跳舞。



如果对所有新发现的化石数据进行采集,会发现恐龙的一支在演化过程当中慢慢变小,最终达到了一个体形,这个体形对于鸟类飞行起源已经足够了。



当然了,恐龙演化出了翅膀,然后身体又变得足够小,还不算完成伟大的转化,最重要的转化还是恐龙怎么获得了飞行能力。


传统上认为鸟类飞行可能是通过两种不同的假说产生的。一种假说认为鸟类的祖先是通过一个克服重力的过程,比如说它在地面上奔跑,有点像飞机起飞一样,通过这种地面奔跑演化出来飞行器官,然后慢慢演化出飞行能力。



另外一种假说认为鸟类的祖先是利用了重力,从树上这些环境当中慢慢演化出来飞行结构,然后获得了飞行能力,最终飞向了蓝天。



这两种假说哪一个对哪一个错呢?


当然利用重力从高处开始飞行的途径,从生物力学的角度看显然更加合理。但是它有一个问题,一般传统上的认知,恐龙都是生活在地面上的动物,有很强的奔跑能力。没有任何证据显示恐龙是生活在树上的,所以化石证据不支持恐龙从树上开始了飞行这样一个假说。


当然科学研究总是存在着惊喜,我们在2000年的时候,运气特别好,发现了一种叫作小盗龙的恐龙,就是画面上不这么漂亮,但是是非常重要的化石。



这个小盗龙化石产自我国另外一个很有名的化石产地,辽西。在过去的二三十年当中,辽西和它周边的地区成为了世界上最有名的化石产地,这得益于它独特的地质条件。



在辽西地区有很多岩石,这些岩石告诉你,在1亿多年前这个地区有很多的湖泊、池塘,而且火山活动非常频繁。频繁爆发的火山活动杀死了当时生活在这个区域的生物,并且快速埋藏了这些生物。


所以今天我们在这个地区能发现大量的恐龙化石,还有其他各种各样的生物化石。这些化石帮助我们回答了很多关于进化的问题,其中就包括鸟类怎么飞向蓝天的问题。


我们研究小盗龙其中有一方面,比如说你看小盗龙的脚的形状,它脚趾的长度、爪子的弯曲度,一个简单的推论就是它跟有些生活在树上的鸟是比较相似的,换句话说,小盗龙是一种生活在树上的恐龙。



这个发现的意义是显而易见的。就像我刚才讲的,飞行如果是从树上开始起源的话,我们缺失的是中间的一个环节——我们没有生活在树上的恐龙。现在我们有树上的恐龙,就把飞行通过这个化石连接起来了。



这当然是一个非常令人高兴的发现,但是惊喜还在后边。后来有更多的小盗龙化石被发现了,这些化石的发现实际上让我们感觉到更加地惊讶。这些化石身上保存的羽毛结构是原来我们想象不到的,是这种不对称的。


这有什么意义呢?如果你看现在的鸟,飞行能力越强,羽毛不对称性越强。而不会飞的鸟,羽轴两侧的羽片是大小相似的,是比较对称的。有了这个不对称的羽毛就指示着这个恐龙是不是会飞,我们是不是发现了第一种会飞的恐龙?这个是非常令人兴奋的。



当然了,更关键的是这些不对称的羽毛分布范围很有意思。我们发现这种不对称的羽毛不仅分布在翅膀上,前肢上、尾巴上,更重要的是分布在它的后肢上。



这个意思就是说这个恐龙长成这样子了。我们叫它长着四个翅膀的恐龙。就是它不仅前肢像现在的鸟一样羽化为翼,后肢也羽化为翼。



这是一个完全想不到的发现。当然也不是完全想不到,实际上在100多年前有一个美国的自然学者叫作Beebe,就提出来鸟类的祖先可能是四翼的,鸟类的飞行可能经过了这样的四翼阶段。我们没想到在100多年后发现了这样的证据。



是不是这样呢?不光是Beebe说过,大自然也告诉我们这种四翼状态是非常普遍的。我们看所有会飞的动物,一般都呈现这种四翼状态,比如说我们熟悉的蝙蝠,或者翼龙,或者其他各种各样的动物。



它们在飞行的时候翅膀总是要前肢和后肢都参与其中,让飞行器官非常得大,这样有助于飞行,这是一个普遍的状态。


但是恰恰鸟类是非常独特的,你看鸟类它是用一对翅膀来飞行,用后足来行走或者奔跑。我们对于鸟类的认知是建立在这样的基础上的,它有两套运动系统,它的翅膀是一对,而不是两对。


我刚才讲了,其实科学研究是有很多竞争的。我们在辽西找小盗龙化石的时候,其他一些研究者也在辽西找小盗龙化石,其中有两个研究团队其实跟我们找到了几乎是一模一样的化石。


但是由于鸟类有两套运动系统的这种惯性思维,其中一个团队就认为保存在脚上的羽毛不是真正的,是从身上剩下的羽毛冲到脚这儿来的。所以复原图你可以看,只有一对翅膀,脚上是干干净净的。



另外一个研究团队注意到了脚上的羽毛,但是没有注意到羽毛是不对称的。为什么呢,刚才我讲了,一般认为恐龙是不会飞的,鸟是会飞的,有了不对称的羽毛就意味着它会飞,他没有想到不对称的羽毛会长在恐龙身上,所以看见化石的时候视而不见。


所以让我们有了机会,在2003年的时候把他们忽略的东西发表了文章,提出了这样的飞行产生的过程。就是恐龙确实是开始在地面生存,后来转移到了树上,然后演化出了四个翅膀。随着前面的翅膀越来越发达,后边脚上的翅膀慢慢退化,最终变成了我们今天熟悉的鸟类。



实际上这样一个研究过程也告诉我们另外一点,很多的科学发现你事后看起来非常简单,但是事前常常是视而不见的。这在科学界是非常普遍的,因为所有的科学观察和科学实验,都受理论思维的影响。换句话说科学家实际上是有偏见的,正是这种偏见有的时候会让你丧失一些科学发现的机会。


也是由于这个原因,实际上在我们论文发表之后还是受到了很多的批评,包括世界上一些很有名的科学家也在批评我们,不承认我们的发现,认为我们的解释是错误的。


这个是非常正常的,在科学研究的过程当中,尤其是新数据、新假说产生的时候,其他科学家的第一个反应往往是批评、批判。所以从这个角度看,科学实际上是非常保守的。


当然作为科学研究来说,回答质疑的最好办法就是去找到更多证据,做更多分析。我们确实也是这样做的,在随后的十几年当中,我们在辽宁西部,在内蒙的东南部,在河北的一些地方,又找到了许多化石。这些化石告诉我们,不仅小盗龙长着四个翅膀,还有很多其他的恐龙,甚至一些早期的鸟类,也有类似四个翅膀的结构。



我想今天四翼恐龙这个观念已经被大多数学者接受了,成为我们学科一个很重要的研究方向,这样的研究过程回忆起来还是蛮欣慰的。


到今天为止,通过世界各个国家几代科学家的努力,恐龙演化成鸟类已经成为我们研究进化论证最好的一个演化事例。我们今天可以肯定地说恐龙变成了鸟类。或者用一句通俗的话说,恐龙从来没有灭绝。


恐龙为什么灭绝,是不是小行星撞击导致的,从严格的科学意义上讲,这种问题是不存在的。我们生活在今天的地球上依然有一万多种恐龙,它就是飞翔在我们蓝天上的、还有我们身边的美丽的鸟类。


谢谢大家。


本文来自微信公众号:,作者:徐星。

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