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鬣狗粪便化石，发现于英格兰北约克郡的洞穴，保存在牛津大学博物馆。
 

 
（A）威廉·巴克兰；（B）他于1835年的绘画，可见螺旋状粪化石；（C）他收集的粪化石。
 

 
不同鱼类的螺旋瓣形态，有的密集，有的稀疏。
 

 
鱼龙吃鱿鱼复原图，基于1.99亿年前的鱼龙的胃内容物所画。图片来源：Julian Kiely
 

 
顶部为鱼龙，右上角为蛇颈龙，蓝色箭头表示2020年研究的捕食者-猎物关系，红色箭头和黑色箭头来源于2018年的研究。
 

 
鲨鱼粪化石内部的三块骨骼，蓝色为鱼类头骨，绿色和黄色为海洋爬行的尾椎。
 

 
19世纪中叶的工人们在开采粪化石。图片来源：Buckinghamshire County Museum
 

 
疑似暴龙粪便化石，发现于美国南达科他州。图片来源：wikipedia
 
（化石网整理）据科普中国：说起化石，很多人第一时间会想到恐龙骨骼化石，因为足够震撼。而“重口味”的我，决定和你们聊聊古生物的排泄物——粪便化石，以及如何制作属于自己的粪化石。
 
谁邂逅了第一坨粪便化石？
 
如果你是一个恐龙迷，想必不会对威廉·巴克兰（William Buckland）感到陌生，因为他描述和命名了第一只恐龙，是最早研究恐龙的科学家之一。但是，你未必知晓巴克兰的另一重要身份——“初代粪便化石猎人”。
 
1821年，巴克兰在调查英格兰北约克郡的一个史前鬣狗洞穴时，发现遍地的鬣狗骨骼和牙齿化石之间，还散落着一些白色小球，怀疑是鬣狗的粪便化石。
 
为了证实这个猜想，巴克兰跑去动物园里观察非洲斑点鬣狗的粪便。由于现代鬣狗十分喜欢食用其它动物的骨骼，摄入过多的钙和磷，导致粪便呈现白色，恰好洞穴中的白色小球主要化学成分也是磷酸钙。于是，巴克兰发表论文并获得皇家学会科普利奖章，科学地邂逅了第一坨粪便化石。
 
从史前鬣狗洞出来后，巴克兰又把目光投向海滨小镇莱姆里吉斯。
 
这儿的海岸线埋藏着大量侏罗纪时期的海洋生物化石，著名的化石收藏家玛丽·安宁在此发现了第一具完整的鱼龙和蛇颈龙化石，并注意到它们的腹腔保存有许多深灰色的小石头，石头里偶尔还会夹杂着骨头和鱼鳞。
 
尽管小石头被当地人称之为“牛黄石”，并在16世纪曾被广泛用作解毒剂，但在玛丽·安宁的研究基础上，巴克兰认为鱼龙腹部的小石头其实都是粪便，不久后他创立了一个词“Coprolite”（粪化石），将所有远古粪便纳入其中。
 
从此，粪化石的研究领域大门正式开启。
 
粪化石的形状千奇百怪，因为在这个世界上，没有谁能够拉出完全相同的两坨粪便。而且正常的粪便都比较柔软、易碎，在埋藏过程中会再次发生变形，甚至遭到食粪动物的破坏和风吹雨打的洗礼，从而出现球形、卵形、锥形、雪茄形、不规则形等等。其中，最令巴克兰着迷的莫过于螺旋状粪化石。
 
关于螺旋状粪化石的成因，巴克兰认为是食物残渣会经过一段螺旋形的肠道，渐渐形成带有螺旋纹的粪便，并以这一形态排泄出体外，最终被埋藏形成化石。
 
这一观点并非异想天开，因为现生鲨鱼、肺鱼、银鲛、鲟类的肠道就有这样的结构：回肠内的粘膜层排列成螺旋瓣，就像一个螺旋楼梯。当食物兴冲冲来到螺旋瓣后，一圈又一圈的结构不仅可以延缓食物的移动速度，还能增加肠道内的消化面积，让鱼儿们更充分地吸收营养。
 
乐于动手的巴克兰哪能放过这些活生生的例子，他直接往鲨鱼的肠道内注射一种能够快速凝固的水泥，最终成功复制出水泥版的螺旋粪便。在捣鼓粪化石研究的同时，巴克兰还给自己定制了一张“粪化石桌”，桌面嵌满经过抛光打磨的鱼粪化石，用来招待晚宴肯定别有一番风味。
 
粪化石有什么用？
 
一块动物骨骼化石，能让我们真真切切地感受远古生命的不可思议，这是一坨粪化石无法比拟的，那为何巴克兰沉迷于其中？
 
因为粪化石能够提供“另类”的古生物信息呀。
 
以螺旋状粪化石为例，它可以直接反映排泄者的消化道内部结构，表明古代鱼类的肠道也有螺旋瓣，有利于吸收营养物质；也能作为鱼类分类的依据，因为粪化石表面的螺旋纹与肠道内螺旋瓣的数量、疏密程度有关，比如现代鲨鱼肠道的螺旋瓣很密集，肺鱼次之，软骨硬鳞鱼类则很稀疏；还能反映排泄者的体型上限，比如螺旋纹数量＜5圈的粪化石，排泄者体长上限为1~2米。
 
就像你吃了金针菇一样，粪化石也含有未被消化的食物残渣，如骨骼、牙齿、鳞片、植物以及微生物等等，这些都能够反映古生物的猎物选择行为、食物偏好以及消化方式等相关生理学。简单来说，就是重建古生物的食谱。
 
巴克兰在莱姆里吉斯海岸收集的鱼龙粪化石，除了包含鱼鳞、鱼骨以及小型鱼龙骨骼外，还有一些乌漆麻黑的粪化石。后来经过分析，粪化石中的黑色色素和鱿鱼等软体动物的墨汁具有相同的化学成分，从而知道鱼龙的食谱里还有鱿鱼。这是否让你想起了红心火龙果的“折磨”？
 
当拥有足够多的粪化石时，还可以重建古生态系统的食物网。
 
这幅1830年的水彩画，展现了侏罗纪时期的莱姆里吉斯海岸，主要基于威廉·巴克兰的科学研究和玛丽·安宁收集的化石，是重建古代生态系统的第一次尝试。不信你看，蛇颈龙和鱼龙互相厮打的同时，还在悄悄拉屎——蛇颈龙腹下的椭圆状物体就是粪便。
 
受时代的局限性，食物网的第一次重建并不完善。
 
今天，我们已经可以采用新的科学技术，来窥探粪便里的世界。2020年10月，英国布里斯托大学的科学家对成千上百坨粪化石进行CT扫描，识别出各类骨骼、鳞片和牙齿，重建了布里斯托地区两亿多年前的浅海食物网：海洋爬行动物和鲨鱼吃小鱼，小鱼吃更小的鱼和龙虾，鱼龙甚至可能还会啃生蚝。
 
CT扫描结果还显示，各种粪化石内部的骨骼和鳞片几乎没有损坏，这意味着史前海洋动物的消化能力欠佳，无法像现代大多数食肉动物一样溶解骨头，只能硬着头皮，努力把骨头拉出体外。最有意思的是，一厘米长的鲨鱼粪化石竟混合着三块骨头，一块来自鱼类的头骨，另外两块来自小型海洋爬行动物的尾椎。
 
至于这条鲨鱼是在食腐捡漏尸体呢？还是活生生啃了一条鱼的头部，转而又往一只海洋爬行动物的尾巴末端啃去呢？咱就不得而知了。
 
当粪化石堆积成层时，还会形成具有经济价值的磷矿。
 
19世纪中叶，英国人意识到磷酸盐能够提高农作物产量，于是具有高磷酸盐含量的粪化石开始被开采用作肥料。数十年间，粪化石采矿区如雨后春笋般涌现，形成大规模产业，边上的餐饮设施、住宅和教堂也一一发展起来。
 
虽然该产业早已衰落，矿坑回填，但那些被毁坏的、被当作肥料、被售卖的重要化石也早已不知去向。
 
谁的屎，你的吗？
 
看到这，你或许有疑问，为什么科学家能找到粪化石的主人？
 
实际上，在古生物的世界里，想知道谁拉的屎是一件十分困难的事。只有当粪化石保存在动物的腹腔时，才能做出准确判断。而大多数时候，既要获取粪化石本身的信息，还需要结合时代背景、地理环境、同一地层的动物化石进行分析，才有可能知道是谁拉的屎。
 
比如这坨长44厘米，高13厘米，宽16厘米的巨型粪便，含有很高比例（30-50%）的骨骼碎片，远大于常见的食肉动物粪化石，而且又位于白垩纪晚期的北美洲，所以推测是某种暴龙类的粪便。
 
因为普遍规律表明，粪化石体积和排泄者的体型成正比（尽管没有一个定量关系），那显然是暴龙类比该地区的其它动物更配得上这坨粪化石，毕竟小个子哪能拉出长达63.5厘米的粪便嘛。
 
而在众多的粪化石主人中，肉食性动物数量远高于植食性动物，因为粪化石的主要成分是磷酸钙，骨骼和肉类能提供更多的矿物质，促进粪便矿化。
 
最后，如果你想拥有属于自己的粪化石，首先请吃肉蛋奶，摄入钙和磷；其次选择一个好的天然厕所，比如湖泊或深海等沉积环境；然后确保粪便安全着陆，进入埋藏阶段；最后交给运气。希望经历过百万年的地质变动，你的粪便会以化石之身出露于地表，被“后人”拾获……

达尔文对地球早期生命的猜想也许是对的

（化石网整理）据新浪科技：国外媒体报道，达尔文提出过许多出色的想法。其中最著名的当属由受自然选择驱动的进化论。地球上的大多数已知生命都可以用该理论来解释。但他也对其它许多问题进行了苦苦思索。在写给朋友的一封信中，他提出了一种关于地球早期生命如何形成的理论。在约150年后的今天看来，这封信极其具有预见性，如同预言一般。
 
与人们的普遍想法不同，达尔文并非第一个提出物种会进化的人。在19世纪，科学家针对“动物会随着时间的流逝不断变化，比如现代长颈鹿的脖子比古代更长”这一理论进行了大量探讨。
 
达尔文的关键贡献在于描述了“自然选择”这一进化机制。该理论认为，同一物种的动物需要为了食物、庇护所、以及繁殖后代的能力彼此竞争。只有最适合所在环境的动物才能成功产下后代，因此这些有益性状可以遗传给下一代，变得越来越常见。假如长脖子对长颈鹿有益，一代代过去，拥有长脖子的长颈鹿就会越来越多，直至达到最佳的脖子长度。达尔文在1859年出版的《物种起源》中，对这一观点进行了陈述。
 
生物进化这一事实透露了关于生命起源的一些线索。进化告诉我们，看似迥异的物种其实也可能是远亲，由同一位祖先进化而来。例如，人类目前亲缘关系最近的物种是黑猩猩，我们曾在约700万年前拥有同一位祖先。
 
不仅如此，目前生活在地球上的每一种生物最早都可追溯至同一祖先，名叫“最后的共同祖先”，生活在逾35亿年前、地球刚刚形成之时。
 
然而，进化论只解释了已知生命变化的方式和原因，并未讲述地球上的首个生命是如何形成的。
 
生命是如何开始的？
 
对生命起源的研究直到上世纪50年代才开始。当时，已经有许多科学家怀疑，生命起始于海洋。他们认为，在刚刚诞生的地球上形成了大量碳基化学物质，这些物质溶解在海洋中后，变得越来越稠密、浓度越来越高，这就是所谓的“原始汤”。这一理论由苏联生物学家亚历山大•奥巴林（Alexander Oparin）提出。1953年，一位名叫斯坦利•米勒（Stanley Miller）的美国学生证明，可以在一套模拟原始海洋和大气条件的简单装置中合成氨基酸，即蛋白质的基本组件。
 
几十年间，“生命起源于海洋”的理论始终处于主导地位。但这其中存在一个显而易见的问题：海洋的体积极其庞大，除非有数量惊人的碳基化学物质，否则这些物质可能会分散在海洋各处，历经多年都无法相遇。“水太多，分子太少。”剑桥医学研究委员会分子生物实验室的克劳迪娅•邦非奥（Claudia Bonfio）指出。
 
还有一种被广泛探讨的理论认为，生命也许起源于碱性热泉之中，类似于大西洋中部的“失落的城市”。富含矿物质的热水从海床底部的岩石中汩汩流出，形成了怪异的白烟。这些热泉提供的丰富化学能也许为第一批生物的诞生提供了能量。但今年5月发表的一项研究指出，在碱性热泉条件下“尚未证明能够直接合成氨基酸或核酸碱基”，而这两种物质对于我们所知的生命形式而言都不可或缺。
 
于是，我们又将目光投向了达尔文的理论。
 
给朋友的一封信
 
达尔文在1871年写给朋友的一封短信中介绍了自己的理论。
 
达尔文从未在书中写过生命是如何起源的，但他曾在私下里提出过猜想。最关键的文件是他在1871年2月1日写给好友、自然学家约瑟夫•道尔顿•胡克（Joseph Dalton Hooker）的一封信。这封信很短，只有四段话，而且由于达尔文字迹潦草，很难读懂。信中在简单讨论了近期针对霉菌开展的一些实验后，达尔文简要介绍了一项假说的开头部分：
 
“经常有人说，第一个生命诞生所需的全部条件如今都已经具备，也许过去也一直具备。但假如（这是个很不简单的‘假如’）我们可以让某个温暖的小池塘具备氨气、磷酸盐、光、热、电等条件，然后形成了某种蛋白质化合物，这种化合物再经历某些更加复杂的变化。放在现代，该物质会被立刻吞食或吸收掉。但在生物诞生之前，情况就不会这样了。”
 
这段话需要费点工夫来理解，因为有好几点想法被杂糅在了一起，就好像达尔文是在一边写、一边琢磨一样。不过它的核心观点其实很简单。
 
达尔文提出，生命不是在开阔的海洋中、而是在陆地上的一个小型水体中形成的，其中富含各种化学物质。这和“原始汤”理论本质相同，但有一项优势：随着水在温暖的白天不断蒸发，溶解在池塘中的化学物质的浓度也会随之提高。生命所需的化学物质也可以在光、热和化学能的共同驱动下开始合成。
 
达尔文的想法在很多方面都极其不完善，但我们并不能责怪他，毕竟在他写下这段话的时候，科学家还没有发现DNA等核酸，生物学家对基因还一无所知，细胞内部的运作机制也仍然成谜。达尔文猜想，生命起源于蛋白质，但当时并没有人清楚蛋白质究竟是什么。一直到1902年，科学家才弄明白，蛋白质原来是由氨基酸构成的长链。
 
但达尔文的基本构思至今仍是科学家研究的对象。并且许多研究人员相信，这是目前为止对生命起源的最佳解释。
 
热与光
 
威斯康星大学麦迪逊分校的莉娜•文森特（Lena Vincent）所做的研究可以与“池塘说”兼容，不过她更倾向于持开放态度。她一直在尝试合成能够复制自身的化学物质组合。例如有一对名为A和B的化学物质，分别可以合成对方，即A可以制造出B、B可以制造出A。这样一对化学物质可以实现自我复制，但必须在二者都存在的情况下才能成功，单独一种则不行。实践中用到的化学物质组合比这要复杂得多，但基本原理是相同的。
 
最关键之处在于，文森特是在矿物质表面开展实验的。如果关键化学物质位于矿物质表面，“就更容易发生反应、与彼此接触。”这些化学物质为了附着在矿物质上，还会与彼此进行竞争。“我们认为，这样产生的环境可以创造出竞争优势，说不定就是进化的前身。”而自然界中的池塘表层本身就覆盖着黏土等矿物质。
 
还有许多证据显示，阳光中的紫外辐射也可以驱动关键化学物质的形成，特别是RNA。RNA与DNA类似，科学家认为它在早期生命的形成中扮演了关键角色。这种过程只能在光照充足的环境中发生。而在这一点上，小池塘无疑比深海更占优势。
 
剑桥医学研究委员会分子生物学实验室的约翰•萨瑟兰（ John Sutherland）在相关研究中发挥了重要作用。他于2009年证实，利用紫外线辐射等简单处理手段，在RNA的四种基本构件中，有两种都可以由简单的碳基化学物质形成。在此之后，他又证实，如果对处理方法稍加改动，这些初始化学物质还可以形成蛋白质的基本构件、或者构成细胞外膜的脂质。
 
“他正在逐渐具备合成复杂核酸长链的完整条件。”明尼苏达大学的凯特•艾达马拉（ Kate Adamala）指出。
 
最后，陆地上的池塘在炎热环境下会接近干涸、下雨时再被重新注满，如此周而复始。这种干湿循环看似无关紧要，却会对生命相关的化学物质产生重大影响。
 
例如，萨瑟兰在2009年开展的实验只合成了RNA四种基本构件中的两种。而在2019年，德国研究人员则一次制齐了四种。他们将简单的碳基化学物质置于热水中的矿物质表面，然后让它们不断经历干湿循环。如此持续几天时间，便足以合成RNA的基本构件了。
 
无独有偶，加州大学圣克鲁斯分校的戴维•迪莫（David Deamer）也证实，干湿循环可以促进简单“原细胞”的形成（即由一层脂质外壳包裹的RNA等生物分子）。此外，现任职于爱丁堡大学的瓦伦蒂娜•埃拉斯托娃（Valentina Erastova）也发现，在干湿循环的条件下，氨基酸会与矿物质表面的简单蛋白质衔接到一起。
 
生命的摇篮
 
迪莫提出，“不断波动的火山温泉池塘”是生命最可能起源之处。萨瑟兰则认为，沿陨石撞击坑流下的小溪在坑底汇成的池塘才是生命最早出现的地方。目前还不清楚究竟哪种可能性更大。还有很多年轻学者表示，我们对生命的起源过程仍然所知甚少，不足以排除任何一种情况，因此不愿早早站边。在实际研究中，仍有许多研究人员很重视“碱性热泉说”，尽管该假说也存在一定问题。
 
不过有一点很清楚：达尔文的观点极具前瞻性。他成功预见到，必须有一系列化学物质集中在一个小规模空间中，并且需要一个能量源来驱动化学反应。
 
“就像达尔文的许多观点一样，”文森特指出，“‘温暖的小池塘’假说也‘很有先见之明’。”
 
文森特表示，达尔文在信中还提到了另一点，而这一点的重要性被人们“大大低估”了。“在这个温暖的小池塘中发生的反应也许很容易发生，因此其实无时无刻不在进行。而我们之所以没能观察到这一点，也许是因为，每当自然条件下合成了一个新蛋白质或类似分子，就被一只饥肠辘辘的细菌吞噬掉了。”
 
“我们讨论生命起源时，总把它当成一件发生在遥远过去的事情，”文森特表示，“但也许此时此刻，这件事情就在发生。”