首都科学讲堂 | 寻找恐龙化石的故事
恐龙是生活在距今大约2.3亿年前地球上的史前爬行动物，曾主宰地球1.7亿年之久，并于约6600万年前的白垩纪晚期灭绝。恐龙时代离我们如此遥远，如果不借助于化石，我们对恐龙这一神秘的物种就会一无所知。恐龙化石是怎么被发现的？寻找恐龙化石的意义是什么？其中有哪些故事？
在全国多地中小学开学之际，首都科学讲堂邀请人教版小学语文课文《飞向蓝天的恐龙》作者、古生物学家、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员徐星，为大家带来开学第一课：《寻找恐龙化石的故事》。
【主讲嘉宾】
徐星
中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员
云南大学古生物研究院学术院长
▲寻找恐龙化石的故事（上）
▲寻找恐龙化石的故事（下）
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好奇驱动发现
很多人都喜欢恐龙，究其原因，可能是因为其庞大体型、奇特外貌或者是遥远的存在，另外还有霸王龙、三角龙、马门溪龙等恐龙明星的存在。
▲马门溪龙复原图 （供图/徐星 绘图/赵闯）
2005年美国《科学》杂志列出了125个科学难题，这些问题包括：什么组成了宇宙？生命如何起源？还有一些问题跟恐龙研究有关系，比如恐龙是怎么灭绝的？恐龙为什么会长这么大？
▲恐龙明星复原图 （供图/徐星 绘图/Brian Choo）
古生物学不仅研究恐龙化石，还研究其他类化石。为何恐龙化石有这么大的魅力？究其原因，古生物学研究除了像其他科学领域一样需要动脑子去探索世界，还有一个特别的地方，就是需要我们拥抱大自然，到野外去寻找隐藏在大地当中有关生命演化的奥秘。
▲徐星在野外发掘恐龙化石 （供图/徐星）
▲新疆准噶尔盆地的五彩湾地区，考察队员居住的小帐篷就在岩石的旁边，享受着野外生活的乐趣。抬眼远望就是戈壁沙漠（供图/徐星）
我最喜欢的恐龙化石地区是新疆准噶尔盆地的五彩湾地区。这里的风景非常漂亮。考察队员居住的小帐篷就在岩石的旁边，享受着野外生活的乐趣。抬眼远望就是戈壁沙漠。
▲新疆准噶尔盆地五彩湾地区，远处就是雪山 （供图/徐星）
其实，在野外科考遇到最多的是沙尘暴、洪水等恶劣环境。在戈壁沙漠当中寻找化石最大的挑战就是高温、蚊虫、毒虫和野兽。我们在准噶尔盆地的野外发掘有很多重要发现。
在1.6亿年前形成的岩石当中，我们找到了三角龙的祖先——隐龙的化石。
▲隐龙化石（供图/徐星）
▲隐龙生活时代复原图（供图/徐星）
我们还发现了霸王龙在侏罗纪的祖先——冠龙的化石，这对理解霸王龙家族的演化历史非常重要。
▲霸王龙在侏罗纪的祖先——冠龙的化石（供图/徐星）
▲冠龙复原图（供图/徐星 绘图/张宗达）
恐龙化石发掘者被称为“恐龙化石的猎人”，工作最重要的一步就是能发现恐龙化石。让人感到惊奇的是，找到最多化石的往往不是有经验的野外工作者，恰恰是刚刚参加野外工作的队员。这是由于他们对野外的每个细节都充满了好奇，不会放弃任何的异常现象，正是好奇心驱使他们发现了很多重要的化石。
▲刚刚参加野外工作的队员，由于有好奇心，能够从蛛丝马迹中找到最重要的化石 （供图/徐星）
化石不仅是发现的过程，还有采集的过程。由于野外没有重型机械，只能依靠双手，有的时候必须“忍痛割爱”——仅采集化石的一部分，把更多的化石留在原地。
▲由于化石太大，科研人员只能选取化石的一部分（供图/徐星）
在白垩纪的地层当中，我们在阿尔瓦雷兹龙类化石的脖子附近发现了非常小的鳄鱼残骸（下图红点处）。我们猜测恐龙吃下鳄鱼之后就死亡了。我们就给这块化石命名为“最后的晚餐”。
▲阿尔瓦雷兹龙类化石（供图/徐星）
化石是一层一层地保存，在上面一层是小化石，中间一层是中等化石，下面有一层更大的化石，我们称之为“恐龙三明治”的保存方式。通过研究，我们提出了这样的解释：在这个区域不仅生活着比较小的恐龙，还生存着最大体长将近40米的马门溪龙，它们把河边的软泥踩成小坑，小坑被泥水淹没，就形成了一个个小的泥潭。生活在这个区域的一些小型恐龙不小心就会掉进泥潭当中死亡，被后来的一些泥沙掩埋，形成化石。这样的故事一次次发生，最后就形成了“恐龙三明治”的保存方式。
▲恐龙化石的“三明治”保存方式，陷入巨型恐龙踩坑中的小恐龙（供图/徐星）
在“恐龙三明治”中，我们找到了一些奇特的恐龙。最奇特的是发现恐龙吃了一肚子的小石子。我们知道一些恐龙和现代鸟类一样没有牙齿，小石子能够有效地研磨食物。还有些鸟类吃石子是为了清理肠道。我们在1.6亿年前侏罗纪时代的小恐龙当中，居然发现也有了像鸟一样的行为。我们给这种恐龙命名为“难逃泥潭龙”。因为这种恐龙是陷在了泥潭当中，怎么也逃不出来，然后死亡形成了化石。
▲“难逃泥潭龙”的化石中发现了小石子（上图红框内，右图为放大图） （供图/徐星）
通过研究化石，我们发现生活在1.6亿年前的“难逃泥潭龙”在3岁之前是有牙齿的，到了成年后才变得像鸟一样，有了喙。通过研究，我们发现这种恐龙在小的时候喜欢吃肉，是杂食性的动物，但是到了成年以后开始吃植物，这和它牙齿的丢失、喙的产生是有关系的。
▲“难逃泥潭龙”复原图（供图/徐星 绘图/Portia Sloan）
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发现的偶然和必然
世界上首次证明恐龙睡眠行为是从一块化石上发现的，这块化石上的恐龙头和身子盘成了一圈。刚刚发现这块化石的时候，我们认为它仅仅是一个保存得特别精美的化石。
▲在中国辽宁省北票市发现了距今1.4 亿年早白垩世的寐龙化石，在世界上首次证明恐龙睡眠行为 （供图/徐星 绘图/Mick Ellison）
我偶然注意到恐龙的嘴巴埋藏在翅膀的下面。我们知道，不同的动物有不同的睡眠方式，鸟类需要保暖，经常会把嘴巴或者头藏到翅膀下面。就是这么一个细节，让我意识到原来恐龙有可能具有像鸟一样的睡眠行为。
内蒙古二连浩特是一个恐龙化石的圣地，20世纪20年代，美国自然博物馆组成了一个考察队从北京出发，一路向西，他们希望在蒙古高原上找到人类祖先的化石。但是他们在寻找路途中，没有找到人类化石，反而意外地找到了各种各样的其他化石，其中就包括恐龙化石。
20多年前，我国科研人员开始在这个区域找到不少恐龙的化石，甚至包括一些新的恐龙物种。我们命名了两种恐龙物种，一种叫做内蒙古龙，另外一种叫做二连龙。
当时中央电视台来到了内蒙古二连浩特想拍一个纪录片，展现内蒙古龙和二连龙化石发现的过程。拍摄完成以后，中央台编导提出来为了让纪录片显得更加生动，需要补拍几个科研人员挖化石的镜头。在选取挖掘地点的时候，有一个工作队员将帽子扔到了空中，帽子落到哪儿就挖掘哪儿。当我们把岩石打开的一瞬间，我们都惊呆了，居然在帽子落地的岩石下面就有新的恐龙化石。
▲中央电视台拍摄纪录片现场, 意外发现蜥脚类恐龙化石 （供图/徐星）
我们就把这些化石取回了实验室进行修理、研究，发现这个化石是一个蜥脚类恐龙的背椎化石，而且这个化石跟原来这个地区发现的化石完全不一样。根据这个化石我们命名了一种新的恐龙物种，叫做苏尼特龙，它属于一种小型的蜥脚类恐龙。
▲徐星（左）和蜥脚类恐龙——苏尼特龙化石合影 （供图/徐星）
一般蜥脚类恐龙体长至少要20米、甚至30米，但是苏尼特龙是蜥脚类家族当中的“侏儒”，体型只有大概不到10米长。这一发现让我们兴奋不已。
日本的一家电视台也来到了二连浩特，希望报道苏尼特龙的发现过程，编导也提出了同样的拍摄几个镜头的要求。一位工作队员说，刚在几十米外的一个干涸的河床边上看见露出来了一块骨头，从大小来看，很有可能是苏尼特龙。当我们通过刷子暴露更多的化石后，我们意识到这块化石根本就不是苏尼特龙的化石，它是一个原来没有见过的恐龙物种的化石。
▲日本电视台拍摄现场，意外发现大型兽脚类恐龙——巨盗龙化石 （供图/徐星）
我们把化石采集回实验室进行修理和研究，发现原来是一个大型兽脚类巨盗龙化石。这种恐龙长得非常像鸵鸟，跟鸟类的亲缘关系比较近，但它居然有这么大的体型，死亡的时候我们预计大概体重有3000公斤。我们还用CT照了它的骨骼内部，想看看到底是何种生物。这种恐龙的骨骼在CT下呈现像蜂窝状的结构，其骨骼重量很轻，但是它又很坚固。这个发现被美国《时代》杂志评为2007年度世界十大科技发现之一。
▲巨盗龙11岁死亡，体重约3250公斤 （供图/徐星）
▲巨盗龙化石的骨骼在CT下呈现像蜂窝状的结构，其骨骼重量很轻，但是它又很坚固（供图/徐星）
为什么科学界一些重大发现总有些偶然成分？其实，偶然发现之前，一定有大量的努力和付出！
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发现源于坚持和付出
除了好奇心和偶然之外，坚持对恐龙化石的发掘也至关重要。辽宁及其周边地区和内蒙古环境完全不一样。这里植被非常茂密，这个地方的化石帮助我们解答了恐龙演化中有关披着鳞片或者鳞甲的问题。
之前，在世界有些地方发现的恐龙化石，表明恐龙的身上有鳞片和鳞甲，比如在北美发现的鸭嘴龙、角龙。所以我们认为恐龙的身上应该披着鳞片和鳞甲。但是，实际情况是不是这样呢？
1996年，在中国发现了第一块保存有羽毛的恐龙化石。科学家给它起了个名字叫中华鸟龙，它还有一个名字叫中华龙鸟。这个起名有我们对化石的认知进步的过程。这个化石不仅有其他化石一样保存的骨骼，更重要的是化石上还保存了黑色的原始羽毛。
▲首次发现保存有羽毛的恐龙——中华鸟龙化石（供图/徐星）
实际上，恐龙有原始羽毛并不是一个新鲜的概念，最早在上个世纪60年代的时候，有一个阿根廷的学者就提出来，有一些跟鸟类亲缘关系比较近的恐龙，身体上应该长有羽毛。上个世纪七八十年代的时候，有美国的一些艺术家已经把有些恐龙身上放上了羽毛，但是从来没有科学家能找到证据显示恐龙身上长有羽毛。
1997年，中华鸟龙化石发现不久后，我们也来到了这个地区。当时正值冬季，非常寒冷，我们非常希望能够发现更多的带羽毛的恐龙化石。我们工作了30多天，仍然一无所获。正当我们准备离开的最后一天，当地人捐赠了一块非常破碎的化石，有几百块碎片，他们希望能够对科学研究有所帮助。我们在化石的基础上进行拼接、复原和研究，发现这块化石居然代表了一个新的物种，我们给它起名叫北票龙。它对于我们理解羽毛的演化，恐龙怎么样变成鸟类，提供了非常重要的证据。
▲北票龙化石发现的时候非常破碎，这块化石对于理解羽毛的演化，恐龙怎么样变成鸟类提供了重要的证据（供图/徐星）
▲北票龙复原图（供图/National Geographic）
为什么会有“最后一天运气”呢？原因很简单，就是坚持之后的结果。每次“最后一天运气”，往往都是在野外坚持30天、40天、50天，甚至是60天之后的发现。只有大量的付出，最后才能有所发现。
1998年，我们又经历了一次“最后一天运气”。那次，我们在野外有70多天，就在考察快要结束的时候，一位同事找到了一块重要的化石，上面有很多的骨头，也有很多的羽毛印痕保存。这个化石代表一个恐龙的新物种，我们给它起名叫做中国鸟龙。这种恐龙给我们展现了恐龙实际上已经可以像鸟一样拍打它的翅膀，这对于学会飞行是非常重要的。
▲中国鸟龙化石（供图/徐星）
▲中国鸟龙复原图（供图/National Geographic）
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来自质疑和批评的发现
很多重要的科学发现，其实也是最常见的一类发现，就是来自质疑和批评的发现。
▲一块保存精美的化石。有恐龙的骨架，有它身体四周保存的黑色的羽毛
▲恐龙的复原图（供图/徐星）
有人会问漂亮的恐龙长着五颜六色的羽毛是科学家猜测的，还是有真正的科学依据？其实，科学家是有科学依据的，科学家能够准确地复原某一些灭绝动物的体表颜色。从肉眼上看到的是恐龙有黑色的羽毛，但是如果用电子显微镜，就可以在黑色的羽毛当中发现纳米级的结构，这种结构是黑素体，黑素体里面包含黑色素。很多其他动物体表的颜色都跟黑色素有关系，如果没有黑色素，我们的世界就是一个非常单调苍白的世界。
黑色素在化石当中的发现，可以帮助我们通过跟现代鸟类的羽毛的黑色素进行对比，比较准确地推断生活在亿万年前的恐龙到底有什么样颜色的羽毛。是黑色的羽毛还是白色的羽毛？是红色的羽毛还是蓝色的羽毛？
这种推断方法的发现者Jakob Vinther在2008年之前还是耶鲁大学的一个博士生。当时他的导师希望他研究化石当中像羽毛或者其他的一些软体组织怎么样形成化石的课题。
▲Jakob Vinther（供图/徐星）
不是所有的动物都能形成化石，只有一部分动物或者植物能形成化石，所以科学家在研究化石的形成条件。动植物的硬体，比如说骨骼、牙齿容易形成化石，但是肌肉、血管，包括体表、鳞片等软体组织不是很容易形成化石。但实际上，我们确实也发现了极少数化石有软体组织，包括像恐龙身上的羽毛的印痕形成了化石。
Jakob Vinther的导师让他去研究为什么有的软体组织会形成化石的课题。当时的一个普遍的观念认为这类化石之所以可以形成，是由于生活在远古时代的细菌帮助软体组织形成了化石。
但是Jakob Vinther在研究的过程当中发现化石的软体组织周围的圆形、香肠状或者棒状的结构并不是细菌而是黑素体。由于学生质疑了老师，让科学有了一个很大的进步，让我们今天能够准确地复原灭绝动物的体表颜色。
传统意义上，恐龙是生活在地面上的体型庞大的动物，奔跑能力也非常强。科学家通过观察各种各样的恐龙，发现恐龙的身体结构适宜在地面上生存，适合在地面上奔跑。一般恐龙脚上的爪子都比较平直，只有手上的爪子比较弯曲。
▲第一块小盗龙化石（供图/徐星）
但是，我们发现小盗龙的化石有两点特别特殊：一是，小盗龙的体型特别小，重量超不过一公斤；二是，小盗龙脚上的爪子形态跟生活在树上的鸟类脚爪更加相似。这意味着小盗龙可能是生活在树上的一种恐龙。这涉及到一个非常重要的演化事件。科学家很早以前就相信恐龙变成了鸟类，但是恐龙变成鸟类要演化出来各种各样鸟类的特征，其中有一个最重要的特征是飞行。
▲小盗龙脚趾长度比例和爪子的弯曲度显示它能生活在树上（供图/徐星）
▲小盗龙生活在树上的复原图（供图/徐星）
恐龙从地面怎么样飞上蓝天？按照现代生物学的观点，学会飞或者刚刚有一点飞行能力的生物都是生活在树上的。比如会滑翔的蜥蜴、会滑翔的鼯鼠，甚至青蛙也会滑翔。这些会滑翔的动物一般都是从树上、从高处往下飞，这是因为从高处往下是更容易的一件事情。而从地面直接飞到天上是非常困难的事情，像飞机起飞一样，只有速度特别快，才能飞上蓝天。所以，很多专家认为既然恐龙是生活在地面上的，它就不可能演化出来飞行的能力。但是小盗龙的出现，告诉我们有些恐龙是有可能生活在树上的，它有可能从树上往下跳，进行滑翔，最终学会飞行的能力。
通过更多的小盗龙化石研究，发现了更加让我们吃惊的现象。鸟类身上有宽大的羽毛，长在翅膀和尾巴上，我们叫做飞羽。典型的飞羽都是不对称的，左右两个羽片大小不一样，一边宽，一边窄。科学家发现，飞行能力越强的鸟类，羽毛不对称性越强。而飞行能力越弱或者不会飞的鸟类，它们的飞羽几乎都是对称的。但在小盗龙化石里，我们居然看见了不对称的羽毛，更加让我们吃惊的是在小盗龙的脚上不对称羽毛也有分布。
▲不对称的羽毛不仅分布在小盗龙化石前肢和尾巴上，还分布在后肢上（红圈处）（供图/徐星）
小盗龙化石里不对称羽毛的分布让我们提出了四翼恐龙的想法：它长了四个翅膀，如果把尾巴也当成一个翅膀，相当于是五个翅膀的一种动物。实际上，这并不是我们直接得出来的，而是在不断修改后得出的。
▲在小盗龙化石上发现了不对称的羽毛（左），现代鸟类的羽毛（右）。飞行能力越强，羽毛越不对称。从空气动力学的角度分析，不对称的结构能够帮助飞行（供图/徐星）
当时，国际上有很多团队在研究小盗龙化石。2002年，其他的两个研究团队已经在我们之前发表了有关新的小盗龙化石研究成果。他们的研究认为小盗龙脚上没有飞羽。另外一个研究团队通过观察，认为小盗龙身上的羽毛都是对称的。两个研究团队的观察，跟我们的研究是完全相反的。
为什么同样的化石会得出不同的结论？我把它归结到已经掌握的知识会禁锢你的思维，年龄有助于经验和知识的增长，但也会导致自由思维的丧失。已掌握的科学知识会禁锢你的思维，科学家对世界的观察都或多或少存在“偏见”。我们能做的就是尽量减少自己的“偏见”。科学的进步是在与各种“偏见”的碰撞当中慢慢形成的，最终会达到真理的彼岸。
第一个研究团队为什么认为脚上没有飞羽？因为我们对现代鸟类的认识，现在的鸟类只有不对称的羽毛，从来没有在脚上发现过，都是长在翅膀和尾巴上的。所以这个团队就猜测埋藏在小盗龙化石脚附近的羽毛一定是翅膀或者是尾巴上的羽毛在化石形成的过程当中冲过来的，而不是小盗龙脚上原来就长了的羽毛。
▲第一个团队发表论文认为小盗龙脚上没有飞羽（供图/徐星）
第二个团队为什么认为飞羽是对称的呢？因为他们主要是研究恐龙出身的，经验非常多，他们有一个固定思维，认为恐龙还没有学会飞，所以当看见小盗龙化石当中有羽毛的时候，尽管羽毛实际上是不对称的，但是在他们的眼里还是对称的。思维的禁锢导致认识上的偏差。
▲第二个团队发表论文认为小盗龙的飞羽是对称的（供图/徐星）
2003年，我们向科学界宣布小盗龙有不对称的羽毛，而且这种不对称的羽毛还长在了脚上。英国《自然》杂志发表了我们的论文，在全世界引起了非常大的轰动。通过这一发现，我们可以推测恐龙飞向蓝天是从地面上开始的，有一种恐龙可能到了树上，最后演化出来四个翅膀。随着前面的翅膀越来越发达，后边的翅膀逐渐退化，所以今天的鸟类只用两个翅膀飞，它们的脚用来行走。
▲2003年，著名学术期刊英国《自然》杂志发表徐星团队关于四翼恐龙飞翔演化假说的论文，在全世界引起了非常大的轰动（供图/徐星）
我们的论文发表以后受到了不少学者的质疑，著名的学者加州大学伯克利分校的凯文·佩迪恩(Kevin Padian)教授写过几篇论文，质疑和批评我们的论文。他认为不可能有四翼恐龙，一种可能是化石造假。他还提出，即便是真的化石，它跟飞行的起源也没有关系，它应该是一个特殊的现象，是个例，跟鸟类学会飞是没有关系的。
为什么凯文·佩迪恩不相信四翼恐龙，因为他是研究恐龙变成鸟的一个先驱，同时会受到一些固有思维的影响。他非常熟悉现在的鸟类是用翅膀飞行，用后肢走路。所以，他想象不到恐龙存在四翼的现象。
实际上质疑和批评是科学界常有的一种现象，科学进步就是在这种质疑、批评和讨论过程当中产生的。
我们回应质疑和批评，最好的方法是去寻找更多的科学证据。我们花了更多时间在野外、在实验室里去寻找更多的证据。后来证明，小盗龙化石四翼现象并不是化石造假，它确实是一个真实的生物学现象。更加重要的是不仅在小盗龙身上找到了四翼的证据，我们还在足羽龙、近鸟龙、晓廷龙、会鸟等早期的化石上都找到了四翼的现象。恐龙演变成鸟类，四翼阶段是一个必经的阶段。
▲之后十几年中，科研人员寻找到更多四翼恐龙，甚至四翼鸟类化石（供图/徐星）
▲2014年12月12日出版的美国《科学》杂志刊登了徐星团队撰写的有关鸟类起源研究的综述文章，文章指出恐龙演化成鸟类必经四翼阶段（供图/徐星）
令人欣慰的是，关于恐龙演化成鸟类的研究成果收编到国内外大中小学教材中。
▲鸟类起源研究入选《科学》杂志2014年度世界十大科学突破（供图/徐星）
▲人教版小学语文课文《飞向蓝天的恐龙》 （供图/徐星）
我们可以很确切地说恐龙从来没有灭绝，因为今天在地球上的11000种鸟，实际上就是活着的恐龙，它们是中生代恐龙直接的后裔。
▲恐龙并未灭绝，而是演变成鸟类，飞向蓝天（供图/徐星）
（本文图片、视频来源于第763期首都科学讲堂）
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（本文内容来自北京市科学技术协会主办、北京科学中心承办、北京科技报社协办的首都科学讲堂。讲堂每周邀请院士专家开讲，传播科学知识、科学方法，弘扬科学精神、科学文化，促使公众全面、正确理解科学）
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