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生在高原,北极狐们怎么从青海走出

2019-09-19 21:10

三趾马:生在高原,却不善驰骋

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从上到下依次为喜马拉雅原羊、西藏披毛犀、札达三趾马的复原图。 中科院古脊椎所供图

“所向无空阔,真堪托死生。骁腾有如此,万里可横行。”不仅仅在杜甫笔下,在整个中国传统文化里,马都是英雄的象征。更具体地说,马的驯化直接促进了农牧业、交通运输以及战争方式的改变,深深地影响了人类社会的发展进程。

看过动画片《冰河世纪》的人或许会对里面可爱的猛犸象、剑齿虎等动物印象深刻。遗憾的是,这些冰期动物在暖期开始后多数已经灭绝,甚至连变种都没有留下,它们的起源也成为困扰科学家的谜团。近年来,中国科学院古脊椎动物与古人类研究所(以下简称“中科院古脊椎所”)科学家在青藏高原发现一系列的化石,经研究表明,部分冰期动物很有可能由西藏走出。目前,中科院古脊椎所科学家正在西藏考察,新找到的化石有望给这一结论提供更多证据。

但实际上,马在没有人类的时代就已经存续了很久。只是,那时的马,没有英俊威猛的外表,也没有风驰电掣般的速度,跟现代马的形象相去甚远。

冰期动物曾被认为起源于北极圈,随冰期冰盖扩张进化而来

上个世纪70年代,科学家在青藏高原发现了一种很奇特的马——三趾马,它虽不是现代马的祖先,但也是近亲。它曾经非常努力地想要适应快速变化的环境,并且差一点就能从演化中胜出。

体型大、身披长毛,有些甚至具有刮雪的身体构造,以猛犸象和披毛犀等为代表的冰期动物很好地表现出对寒冷环境的适应能力,因此它们的起源长期被认为与更新世(距今约260万至1万年)的全球变冷密切相关。科学家推断,这些冰期动物可能起源于高纬度的北极圈地区,冰河世纪冰盖扩张,一度覆盖了北半球的广阔地面,它们就沿着冰盖往南迁徙。随着气候逐渐变暖,巨大的冰川逐渐消退,留下的有些灭绝,有些则进化出新的种类。

它最终没能幸存下来,没留下任何后代,不过,它的出现却让科学家能再现青藏高原年轻时的样子。

根据该推论,科学家长期在极地苔原和干冷草原上寻找化石证据。令人不解的是,多少年来费尽功夫,科学家并没有在这些地方找到可信的化石证据。如此大规模的冰期动物群,在该区域长期生活,难道会不留下一点化石痕迹?

马是一种典型的奇蹄目动物,众所周知,现代的马只有一趾,就是粗壮厚实的马蹄子,这一结构与它能飞速奔跑息息相关。可出现在青藏高原的马却有三个趾头,被称为“三趾马”。

2009年,中科院古脊椎所副所长、研究员邓涛和副研究员李强等人组成的考察团队在西藏札达盆地发现了札达三趾马的骨架化石。这个460万年前的化石骨架保存了全部肢骨、骨盆和部分脊椎,科学家得以重建其当时的运动功能。

1832年,法国人克里斯托尔在法国沃克吕兹省发现了三趾马化石,他在当时就已经准确地找出了三趾马与现代马的不同之处。遗憾的是,他把文章发表在了一本鲜为人知的杂志上,所以,三趾马的名字在很长一段时间之后才得到承认。

“三趾马用三趾行走,现生的马类只剩下中趾,其余完全退化。早期的三趾马奔跑速度较慢,因为它们大多时候生活在森林中,没有足够的驰骋空间。而札达三趾马的中间趾骨非常发达,内外两趾严重退化,这种骨骼特征已经接近现生马类,是一种善于奔跑的动物。”邓涛说。

不过,就算没有科学家锐利的眼睛,它的整体外形大概也能让人觉察出它的特别——它看上去就像是发育不良的个体,身长只有1.5米左右,非常纤细,你绝不可能将它与“高头大马”联系起来。

此外,对札达三趾马膝盖部位骨骼结构的研究表明,它已经可以长时间站立。而其善于奔跑、能长时间站立这两个特征表明,札达三趾马生活在开阔的草原。

实际上,它之所以有着瘦小的身材与三趾的骨骼,都和同一个原因有关。

邓涛说,460万年前,全球正处于上新世(距近530万年至260万)中期的温暖气候中,温度比现代高约2.5℃。按照100米0.6℃的气温直减率,当时札达地区的林线高度应位于海拔4000米处,接近札达三趾马骨架化石的发现地点的海拔。由此推断,札达盆地在460万年前就达到了现在的海拔高度。

古生物学家在青藏高原发现的最早的三趾马是位于布隆盆地的西藏三趾马,距今1000多万年,这是三趾马出现相对较早的时期。根据它远端肢骨的运动功能分析,西藏三趾马是一种森林型的古马。对比现代的马,它的奔跑速度实在令人堪忧。

科学界关于青藏高原古环境和古高度的研究一直存有争议。邓涛等人的研究,给出了青藏高原在460万年前的古海拔高度的化石证据。进一步追问:如果在400多万年前,札达盆地及其周边已经是高山草原,这里还生活着哪些动物,它们最后到哪里去了?在海拔4000米的高原,漫长的冬季气温都在零度以下,曾经生活在这里的动物,会不会是冰期动物的祖先?谜团从西藏披毛犀化石的发现和研究开始解开。

可这并不影响三趾马的生活。森林提供了极为出色的隐蔽场所,再加上茂密的枝叶本身也不利于动物快速穿行,三趾马实在没必要让自己拼命生长、奔跑,活得那么辛苦。它只不过是恰到好处地适应了当时的生存环境罢了。

新发现认为,冰期动物在青藏高原经受了“耐寒训练”,成功往北扩散

不过,即便同属三趾马,存在于不同年代,形态也是有明显差异的。古生物学家在青藏高原的吉隆和聂拉木盆地以及札达盆地发现了更晚的三趾马化石,它们被鉴定为另两个种,一种是距今720万年的福氏三趾马,还有一种是距今460万年的札达三趾马。特别是较新发现的札达三趾马,因为保留了一副相对完整的骨架,就能清楚地展示出它在这期间发生的关键性转变。

虽然在札达盆地发现西藏披毛犀化石早于札达三趾马,但要证明它是冰河时期披毛犀的祖先并不简单。

根据以往的研究,对比西藏三趾马还有欧洲原始三趾马在内的一些早期三趾马,这时候的札达三趾马,两个侧趾基本完全退化并悬空了,中趾变得非常发达,也就是说,三趾马的三趾已经在向现代马的马蹄发展了。这意味着它终于不再满足于自己的奔跑速度,想要体验驰骋的感觉了。当然,仅凭这一条件还不足以达成这个目的。

2007年,中科院古脊椎所考察队在札达盆地中发现了一种新的披毛犀化石,邓涛等人将它命名为新种西藏披毛犀。经测定,该化石表明新种西藏披毛犀生存时代为370万年前的上新世中期。此前,披毛犀化石多分布在欧亚大陆北部,我国东北平原、华北平原也偶有发现,西藏披毛犀化石是目前已知最早的、最原始的披毛犀化石记录。

奔跑的前提是能承受长时间的站立过程不至于疲劳,而札达三趾马确实也发展出了可以适应这种运动水平的结构。它股骨上发达的滑车内嵴使膝关节形成了“锁扣”机制,那么,当膝关节完全伸直时,就可以保持很好的稳定性。

邓涛敏锐地意识到,在札达盆地发现的新种西藏披毛犀可能蕴含重大的科学意义。其后数年,通过对化石的一系列深入研究,邓涛发现,西藏披毛犀很有可能是披毛犀的祖先。随着更新世冰期在280万年前开始显现,西藏披毛犀走出高原地带,并逐步扩展到包括北极圈在内的欧亚大陆北部的干冷草原地带,最终演化为冰期动物。该研究成果在2011年的《科学》杂志上发表。

更快的奔跑能力和更持久的站立时间只有在开阔地带才成为优势。茂密的森林会阻碍奔跑行为,而有蹄动物在开阔的草原上必须依赖快速的奔跑才能逃脱敌人的追击。还有一个发现很重要,那就是札达三趾马的牙冠非常高,这是以草本植物为食的动物的典型特征。

怎样证明西藏披毛犀是最古老的披毛犀?邓涛介绍,披毛犀有一个独特的构造鼻中隔,简单地说就是鼻子中间的骨头。开始这只是一块软骨,在冰雪环境中生存,披毛犀雪铲一样的鼻角越来越大,作为其支撑的鼻中隔逐渐发育,慢慢就成了一块完整的骨头。对西藏披毛犀化石的研究发现,其中的鼻中隔只是一块不完全的硬骨,早先在亚洲北部、西伯利亚等地发现的披毛犀化石的鼻中隔都比西藏披毛犀的鼻中隔要“完全”,这说明西藏披毛犀拥有更原始形态和更久远的历史。

种种表现证明,札达三趾马已经不可能像早期的三趾马那样继续适应森林环境了,它和现代的马类已经越来越接近,似乎有机会就此成为现代马最直接的祖先。

“一个物种不可能在两个地方起源,有两个‘爷爷’。西藏披毛犀的发现足以证明,它不是北极圈中冰期动物的后代,而是它们的祖先。”邓涛说。

然而,三趾马却在同一时期遇到了强劲的对手。

邓涛说,早在370万年前,西藏是全球最寒冷的地方之一。他把冬季严寒、高海拔的青藏高原称之为冰期动物群的“训练基地”,它们在寒冷的青藏高原受到了耐寒的训练,随着冰期到来,西藏披毛犀有了适应寒冷的能力,走出西藏,成功往北扩散。

大约420万年前,现代型的高头大马——真马出现在了北美。它拥有单趾硬蹄,体型更大,奔跑速度也更快。大约在258万年前,真马扩散到了欧亚大陆,而它也成了此后马类演化的绝对主角。

根据新发现,邓涛等人还重新绘制了冰期动物的迁徙路线图,并由此提出,更新世冰期部分大哺乳动物可能起源于青藏高原地区的“走出西藏”假说。该假说推翻了冰期动物起源于北极圈的推测,认为青藏高原才是它们最初的演化中心。目前该假说逐渐得到国际古生物学界的认可。

要知道,三趾马曾经可是广泛分布于北美和旧大陆,它们在欧亚大陆的晚中新世和上新世期间非常繁盛。但一个物种的繁荣和衰落,尤其是后者,常常是生命演化最隐秘的部分,人类只知其结果,却无法通晓真正的原因。

对青藏高原古生物的研究,可能重写人们对地质和动物迁徙的认识

三趾马和真马一样,同样从北美森林迁徙而来,只是它们处于演化的两条支线。不过,它们有着共同的祖先,又叫始祖马。

披毛犀并非唯一起源自青藏高原的冰期动物。近年来,越来越多的化石证据“现身”西藏,增强了邓涛等人对冰期动物“走出西藏”假说的信心。

始祖马出现在新生代的始新世,距今约5600万年。那时的地球气候相当温暖,雨水也很充沛,到处分布着灌木林。所以,马的祖先就是不折不扣的森林居住者。现在,科学家普遍认为始祖马的身上是带条纹的,主要目的是为了隐蔽。至于吃食,始祖马以鲜嫩多汁的树叶为生,由于嫩叶对牙齿的磨损作用很小,因此,它们的牙齿构造简单,齿冠非常低。

一个新证据同样来自札达盆地。2006年、2007年,中科院古脊椎所科学家在札达盆地采集到了喜马拉雅原羊化石,经过多年化石研究,发现的新属种喜马拉雅原羊是现代盘羊的祖先。

很难想象,始祖马的身体比早期的三趾马还要瘦小许多,只有狐狸那么大。有意思的是,始祖马的前肢有4趾,后肢3趾,走起路来全趾着地,所以速度很慢。

李强说,喜马拉雅原羊在青藏高原适应了寒冷环境,并在更新世开始向外扩散到华北、西伯利亚北部和亚洲西部等地区。这一类群是所有盘羊现生种的最近共同祖先,这与冰期动物“走出西藏”的起源理论一致。

高原古环境的生物标志

2014年,一项关于北极狐起源的研究也支持这一假说。中科院古脊椎所客座研究员王晓鸣和李强等人组成的团队,在札达盆地500至300万年前沉积中,发现了最原始的北极狐化石——邱氏狐。据介绍,邱氏狐的下裂齿与现生北极狐同样有发育的切割功能,和其他杂食性更高的现生狐狸种类不同。此外,邱氏狐的体型较北极狐大,能够通过降低表面积与体积的比率来减少热量的流失,更适应于寒冷气候。

尽管三趾马并没有处在进化主线的位置,但它曾经生存过的这一地方很特别,它连续进化的时期,恰恰也是它所依赖的环境发生剧烈演变的时候。

通常,科学家认为北极狐起源于北极圈附近。这一新研究证明,500万年前,北极狐实际上起源于青藏高原。雪豹的原始类型布氏豹,也在札达盆地的上新世地层中被发现,并证明在更新世扩散到周边地区;岩羊的祖先被认为出现在札达盆地,并在随后的冰期里扩散到亚洲北部。

一直以来,地质学家、古生物学家都在为青藏高原隆升的历史细节争论不休,他们总是努力拿出各自领域的证据想要证明自己的观点。于是,三趾马演化的证据也就成了重建青藏高原古环境的重要生物标志。

西藏披毛犀、布氏豹、邱氏狐、喜马拉雅原羊等动物化石在札达盆地的发现,表明在上新世时期,该地区极有可能存在独特的动物群,它们共同的特点是适应了青藏高原高寒气候。随着气候变化,有的动物消失了,有的则长途跋涉向北扩散,成为更新世冰期动物的祖先。

从1000万年前的西藏三趾马,到720万年前的福氏三趾马,再到460万年前的札达三趾马,它们的身体结构指示了其生活的环境从森林或森林边缘到了开阔的草原。

目前,中科院古脊椎所科学家正在青藏高原考察,同样发现了札达动物群的一系列化石。邓涛说,新找到的化石有望给“走出西藏”假说提供更多有力证据。

实际上,科学家发现的证据不止于此。在发掘出西藏三趾马的化石群里,还存在着低冠竹鼠等喜欢湿热环境的成员,孢粉化石的出现甚至反映了当时还有棕榈的分布。

5000多万年前,印度板块与欧亚板块的碰撞,以及由此导致的青藏高原隆升对东亚乃至全球的气候环境产生了极大的影响,也影响了古动物群的进化、迁移。“从古生物学角度来说,青藏高原非常值得研究,化石挖掘的价值和潜力很大。现有的大量化石材料有待进一步研究,未来或将有更多惊喜。”邓涛说。他认为,对青藏高原古生物的研究,甚至有可能重新书写人们对地质和动物迁徙的认识。

可以想象,当时西藏三趾马生活的地方,那是森林密布、河湖发育、雨量充沛,与今天的高山草甸及高寒干燥的气候环境截然不同。为了与整个动物群的生态环境相吻合,古生物学家推测1000多万年前青藏高原的海拔高度还只有2000多米。

(原载于《人民日报》 2016-08-1513版)

而到了福氏三趾马时期,新的有趣的证据又出现了,它和三趾马的饮食密切相关。想知道720万年前的它们究竟吃的是什么吗?这并不是很难。

福氏三趾马的化石中有一部分属于珐琅质,也就是牙釉质。科学家通过对牙釉质进行碳同位素分析,就能大概知道它们吃的主要食物类型了。

马并非一开始就是典型的草食性动物,始祖马其实是一种植食性动物,因为它吃的是树叶和果实。但即便三趾马已经成为了草食性动物,不同的草本植物之间也是有所区别的。

分析发现,福氏三趾马吃下的草本植物中既有C3植物又有C4植物,这两种植物有什么不同呢?

一般来说,C4植物在温度较高、光照较好、水汽充足的条件下比C3植物更具优势。现代C4植物分布受到温度、季节性降水和海拔高度的控制,在2500米以下的低海拔热带和温带地区分布较广,而在高纬度或者3000米以上的高海拔地区以及以冬季降水为特征的地区比较稀少。相反,在海拔4000 米的区域C3植物则是占据绝对优势的。

这就意味着,福氏三趾马时期的青藏高原发生了显著抬升,科学家综合推测认为当时化石点的海拔高度为2900 ~3400米。

同样的方法用来分析札达三趾马,有意思的事情发生了。札达三趾马完完全全吃的是C3植物,也就是说,札达盆地在460万年前的上新世中期,已经可以达到现在4000多米的海拔高度了。

需要说明的是,以上这些证据之间都是可以相互校准和佐证的,有了它们,科学家才能尽可能得到相对准确的结论。

而这一系列证据表明了一个重要问题,那就是青藏高原至少在距今1000多万年的时间里还在经历显著升高的过程,并不是像青藏高原古海拔研究中的一种观点,认为早在4000多万年前就已达到现在的高度了。

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