1923年，在中国辽宁省西部，一个巨大的化石宝库——热河生物群横空出世，震惊世人。
热河生物群是如何被发现的？100年来，它为我们揭开了哪些生命起源与演化的秘密？请听中国科学院院士、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所原所长周忠和在“中国经济大讲堂”上为我们深入解读。
↑ 2013年11月17日，周忠和院士在中科院古脊椎动物与古人类研究所鸟类化石前。 （新华社照片）
『这个“化石宝库”是如何被发现的』
什么是热河生物群？它是约1.4亿年前—2亿年前生活在中国大地上的一个古老生物群。因为这个生物群保存了许多精美的化石，为我们研究地球历史上许多类群的起源、演化提供了非常重要的信息，所以我们把它称为“化石宝库”。它也被誉为“20世纪全球最重要的古生物发现之一”。
那么，这样一个世界级的化石宝库是如何被发现的呢？
这是一个由鱼类化石引发的故事。
狼鳍鱼化石可能是热河生物群中最早被认识的鱼化石，因为它在当地很常见。历史上有两位清朝皇帝都与这种鱼化石有渊源。一个是康熙皇帝，他在《康熙几暇格物编：石鱼篇》里，记述了在辽宁西部发现鱼化石的经过，并且让人把化石制作成一台观砚。另一个是乾隆皇帝。据说乾隆皇帝在巡游中经常看见鱼化石，为此他还写了一首诗《御制鱼石屏歌》，其中写道：“水退鱼存僵淤泥，岁久土变石理宜。试看易剖片片披，宛然藻潜还浪吹。”
实际上，辽西地区的老百姓也经常见到鱼化石。我去过一个地方，当地的小山包就叫鱼石梁，显然和鱼化石有关。
1920年，应北京大学校长蔡元培和中国地质学家丁文江的邀请，美国地质学家和古生物学家葛利普来到北京大学地质系担任教授，中国最早一批地层古生物学者大都出自他的门下。1923年，他来到辽宁凌源地区研究化石和地层。他首先提出了“热河系”的概念，那是专指凌源地区含化石的地层。1938年，他又提出了“热河动物群”的概念。热河省辖区主要分布在今天的辽宁省、内蒙古自治区、河北省的部分地区。
1962年，中科院南京地质古生物所的古生物学家顾知微院士在热河动物群的基础上又命名了“热河生物群”。也就是说，热河生物群包括热河动物群和热河植物群。
热河生物群生活的时期属于中生代，世界上大多数地方还是海洋，而亚洲东部地区抬升为陆地，因北半球气候湿润形成了陆地生物的大爆发，那是我国辽西地区生物物种空前繁荣的时代。当时，辽西的环境可以说是地球生物的天堂，热河生物群生活在温暖、潮湿的环境里，有淡水湖泊，而且森林茂盛。
那么，这片区域后来究竟发生了什么，导致大量生物突然集体死亡并被迅速埋葬？这些精美的化石是如何形成并被保存下来的呢？这其实和火山活动有密切的关联。火山喷发后，形成了碎屑流，导致生物瞬间死亡，并且被埋藏下来。大多数情况下，我们发现的化石都保存在与火山灰互存的沉积物里。但也有一些谜团，比如鸟类、翼龙这些飞行的动物为什么会被完整地保存，甚至软组织都被保存下来，这个问题至今还没有答案。
↑ 上图为滑翔蜥蜴化石标本，长15厘米多；下图为科研人员制作的滑翔蜥蜴复原图。 （新华社照片）
『鸟类化石里隐藏着哪些秘密』
热河生物群发现与研究100年来，在其多个化石产地接连不断地发现了成千上万件中生代的珍贵鸟类化石，基本上占据了世界上中生代鸟类化石半壁江山。
目前已知的最古老的鸟类是发现于德国的始祖鸟，生活在距今大约1.5亿年前的侏罗纪时期。热河生物群发现的化石大概距今1.25亿年。据初步统计，热河生物群发现的鸟类化石有50多种，这些鸟类的个体大小不一，生活习性也不一样，可以说是代表了始祖鸟出现以来鸟类历史上一个繁荣发展的阶段。
热河生物群的鸟类化石给我们带来了哪些有关演化的信息呢？
现代所有的鸟类都是没有牙齿的。我们知道，鸟类有一个喙，叫角质喙。那么，鸟的牙齿是什么时候退化的？通过研究我们发现，早期鸟类的牙齿存在一定的多样性，有些鸟类依然保持了尖锐的牙齿，也有些鸟类的牙齿已经完全退化。牙齿的退化在早期鸟类演化中是一个重要的事件。
热河生物群的孔子鸟化石在1995年登上了《自然》杂志，介绍它的标题就是《从牙齿到喙》，可以说，孔子鸟是当时发现的最早的具有角质喙的鸟类。
还有一种鸟叫热河鸟，它的原始性到目前为止仅次于始祖鸟，尽管它生活的时代比始祖鸟要晚很多。它有一个很长的尾巴，这是一根骨质的长尾巴，而不是现代鸟类常见的尾羽。这么一根长长的尾巴说明什么？说明它依然保留了最原始的鸟类或者说鸟类祖先的特征。
现代鸟类的另一个特征是会飞行。鸟类都有振翅飞行的能力，这种飞行能力是什么时候出现的？在热河生物群的各种鸟类中，飞行能力差异很大。像热河鸟有一根很长的尾巴，它的飞行能力非常有限。但也有一些鸟像义县鸟，已经有了发达的飞行器官，比如发达的胸骨，胸骨就是附着飞行肌肉的主要器官。通过这种骨骼形态，我们知道热河生物群中的有些鸟类已经具备了和现代鸟类几乎一样的飞行能力。
在热河生物群中，我们还发现了世界上最早的鸟类胚胎化石，长度约5厘米，和鸡蛋差不多。在这个很小的化石里，保存了非常完整的鸟类骨架。这个胚胎化石的发现有什么意义呢？在现代鸟类中，不同鸟类的生长和胚胎发育是不一样的。比如，小鸡从蛋壳里出来后，身上的毛已经长齐了，没几天就可以独立生活。我们把这种类型称为早成性。而雀形鸟类刚出生的时候往往需要亲鸟的哺育，在巢里要待一个多月。这种胚胎发育的类型叫作晚成性。热河生物群发现的鸟类胚胎化石代表了早成性的胚胎发育模式，它反映出鸟类为了适应不同的环境有了不同的发育模式，这是鸟类得以进化的一个重要原因。
『这些恐龙化石有哪些奇特之处』
恐龙是地球演化史上最庞大的一类陆生爬行动物，出现于2.2亿年前的三叠纪，繁盛于侏罗纪和白垩纪，于6550万年前灭绝。
迄今为止，世界上已经发现的恐龙化石多达上千种。据统计，中国发现的恐龙化石种类有300多种，是世界上最多的。与其他地方发现的恐龙化石相比，热河生物群发现的恐龙化石有一个重要的特点，那就是很多恐龙化石保存得非常完整，甚至还保存了一些软组织，包括羽毛、皮肤等，这是非常罕见的。
热河生物群发现了世界上最小的恐龙，叫赵氏小盗龙，它的成年个体只有约40厘米长。有趣的是，根据我们对它的脚印的分析，这种恐龙具有爬树的特征。在热河生物群里我们也发现了一些大家熟知的暴龙类恐龙化石，比如中国暴龙、羽王龙等。这显示了热河生物群这个时期兽脚类恐龙的多样性。
由于热河生物群特殊的保存环境，有一些恐龙是被集体保存下来的。比如，有一件鹦鹉嘴龙的化石，这个标本里共有6只鹦鹉嘴龙，它们的头都朝着一个方向，这叫集群死亡。这些小恐龙可能是一种社会性生活的恐龙，碰巧由于遇到一次灾难事件，它们同时死亡后又被埋藏在一起。还有一件被命名为寐龙的恐龙化石，这只恐龙是在睡眠姿态中死亡的。在热河生物群，很多化石保存了恐龙的一些行为信息，这是很少见的。
↑ 短羽始中国羽龙化石。 （新华社照片）
在热河生物群发现的化石里，还有一类叫翼龙。很多人把翼龙和恐龙相混淆，实际上翼龙和恐龙是完全不同的两类爬行动物。翼龙代表了脊椎动物中最早飞行的一个类群，它在中生代时期是空中的霸主。那时候，鸟类刚刚开始获得飞行的能力，而翼龙差不多和恐龙在同一个时代出现，它的灭绝也和恐龙一样，在白垩纪末期完全灭绝。热河生物群中发现的翼龙种类很多，有世界上个体最小的翼龙，叫森林翼龙，这么小的翼龙显然是生活在树上的，它可能靠吃植物的果实为生。热河生物群中还发现了世界上第一枚翼龙蛋化石。
『破解三个重大的科学问题』
在热河生物群时期，陆地的生态系统和我们今天熟悉的生态系统之间存在很大的差别。热河生物群是理解现代陆地生态系统的一把钥匙，它是现代陆地生态系统雏形出现的一个重要窗口。
在对热河生物群的研究中，我们初步破解了三个重大的科学问题。
第一个是被子植物的发现。达尔文曾经对被子植物在白垩纪晚期的突然出现感到非常费解，有人把它称为“达尔文的讨厌之谜”。但是现在看来答案很简单，就是因为当时缺少化石证据，而这些化石证据在热河生物群里得到了很好的弥补。
裸子植物只有根、茎、叶和种子，被子植物却拥有花和果实。之前普遍认为，中生代是裸子植物的时代，新生代之后才出现了被子植物。被子植物是现代陆地生态系统的重要组成部分。而热河生物群处在白垩纪，是中生代的晚期，在这里我们发现了许多特别的裸子植物和被子植物。
1亿多年前，热河植物群中占据主导的仍是裸子植物，就像我们把中生代称为爬行动物时代或者恐龙时代一样。到了新生代以后，哺乳动物替代了恐龙，在植物中是被子植物替代了裸子植物。虽然热河植物群仍然是裸子植物占据主导，但是，这里发现了最古老的开花植物，被誉为“中华第一朵花”。早期被子植物的发现，让我们了解到现代陆地生态系统在那个时期已经有了最早的开始。
第二个被破解的科学问题是我们中耳内的听小骨是从哪里来的，这是进化生物学研究领域的一个经典案例。
听小骨是指哺乳动物也包括人类的听小骨。我们的耳朵分为外耳、中耳和内耳，中耳里有3块听小骨，分别是镫骨、砧骨和锤骨。人体共有206块骨头，听小骨是其中最小的3块，它对我们的听觉是至关重要的。我们要研究的问题是：哺乳动物包括人类有3块听小骨，而爬行动物、鸟类和两栖动物只有1块听小骨，为什么1块听小骨后来变成了3块？我们通过比较解剖发现，哺乳动物的镫骨和耳柱骨是从爬行动物继承而来，锤骨实际上来自爬行动物的下颌，砧骨是来自于爬行动物上颌的一种关节，叫方骨。也就是说，哺乳动物作为听觉器官的3块听小骨，实际上有2块来自咀嚼器官。进化就是这样，并不是平白无故地创造了一个新的结构，而是在原有的旧机体的基础上不断进化而逐渐形成的。
第三个问题是鸟类是如何从恐龙起源的。过去一般认为，鸟类是从爬行动物进化而来的。蜥蜴、蛇、龟、鳄都是我们现在常见的爬行动物，但是显然，这些爬行动物和现生鸟类之间存在着很大的差别。古生物学研究就是要发现一个接一个的过渡类型，尽可能把生命演化中的细节补充完整，从而让我们更好地了解生命演化的过程和机制。
关于鸟类起源于恐龙，最早在科学假说中就有这种说法。而第一位写出科学论文、提出鸟类是从恐龙起源的学者是英国生物学家赫胥黎，他是达尔文进化论最主要的支持者。他在1868年发表了这篇论文。
现生鸟类最大的一个特征就是有羽毛，过去认为羽毛是鸟类所特有的，对于现生动物来说这种说法依然成立。但是，如果把这个标准放到化石中，恐怕就不一定准确了。为什么呢？因为在热河生物群中，我们发现了长羽毛的恐龙。第一件发现的长羽毛的恐龙叫中华龙鸟，它身上是一种绒羽状的羽毛，大家不确定这种毛发——貌似不分叉的东西是不是真正的羽毛。后来又发现了更多长羽毛的恐龙化石。2003年《自然》杂志的封面文章介绍了一种叫顾氏小盗龙的恐龙，它身上不仅有真正分叉的羽毛，而且发现它的前肢和后肢都保留了一些羽毛。有人说它是一种四翼飞行或者滑翔飞行的动物。
曾经有学者认为，这些所谓的原始羽毛可能是一种皮下纤维。但是，2010年的时候，中外学者第一次在恐龙的羽毛中发现了颜色的证据。也就是说，通过显微电镜，我们发现了中华龙鸟和孔子鸟的原始色素体，从而使我们从科学上复原了羽毛的颜色。这些证据表明，中华龙鸟的原始羽毛确实和现代鸟类的羽毛是同源的。
最近，我们还发现孔子鸟的羽毛里有一种中空的结构。借助现代科学技术，我们可以从宏观、微观甚至分子层面了解鸟类是如何从恐龙一步一步演化而来的。
↑ 辽宁西部朝阳鸟化石国家地质公园内展出的小型恐龙卵化石。 （新华社照片）
『一个充满生机、承前启后的时代』
热河生物群所属的中生代是一个充满生机、承前启后的时代。这里的化石遗存几乎囊括了中生代向新生代过渡的所有生物门类，反映了地球中生代生物更替的关键过程，也是新生代生态体系的摇篮。
热河生物群发现和研究100年来，除了鸟类和恐龙，还出土了大量鱼类、两栖类动物、爬行动物、昆虫的化石以及植物化石。
热河生物群发现的两栖类动物有青蛙、蝾螈，还有很多蜥蜴、龟鳖类爬行动物的化石。尤其是龟鳖类化石和蝾螈的化石，它们生活在水边或在水里，被发现时的数量往往非常多。
在热河生物群里还发现了一些鲟鱼类化石，像北票鲟化石是我感到最亲切的，因为那是我的硕士论文研究的化石材料。
在热河生物群的昆虫化石中，我们还发现了昆虫的拟态现象。有一种古老的竹节虫，模仿周围的植物，以达到保护自己的目的。
被称为“活化石”的银杏树在那个时代已经存在。不过，银杏化石的叶子形状和现代的银杏树并不一样，实际上它们也不属于同一个属种，但是我们仍可以笼统地把热河生物群中的银杏树称为现代银杏的祖先。
热河生物群只是我国众多化石宝库的一个代表。从前寒武纪到寒武纪、中生代、新生代，再到第四纪的人类化石，中国有很多重要的化石地点。美国《科学》杂志曾在2001年发表了一个中国的古生物学专题，题目就叫“精美的中国化石：为生命史书增添了新的篇章”，充分显示了几十年来中国古生物学研究在国际学术界的影响力。
最后，我想引用美国著名生物学家爱德华·威尔逊在《创世记》这本书里的一段话：“事关人类处境的一切哲学问题，归根结底只有三个：我们是谁？我们从哪儿来？我们最终要到哪里去？但要回答这三个问题，我们必须首先对前两个问题要有准确的把握。”我认为，古生物学研究对回答前两个问题起到了至关重要的作用。
生命与环境的互动贯穿了地球30多亿年的演化历史，因此，古生物学还为我们认识地球的演化以及生物多样性的演变，理解未来人类与自然相互协同演化的关系，提供了很多重要的历史的借鉴和思考。
来源：上观
作者：周忠和
编辑：诸鹏飞
审核：盛捷