一億多年前的動物「臭臭」 為何成科學研究的「香餑餑」

視覺中國供圖

中國科學院古脊椎動物與古人類研究所3位博士研究生對該所汪筱林研究員20多年前國際科考時采自蒙古國西部的7件糞便化石開展研究。
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  當你得到一塊糞便化石時，首先要做的是確認它是糞便化石，而不是其它什麼東西，這可以使用現代元素分析（比如能譜分析）來實現。
  保羅·拉米 中國科學院古脊椎動物與古人類研究所博士生
  5月26日，線上發表于《自然》上的一項研究，通過對在我國內蒙古發現的硅化植物標本的研究和分析，為解決被子植物的起源問題提供了關鍵性證據。
  那些沉睡於地下的古生物化石，是一個巨大的「情報庫」，蘊含著史前無盡的奧秘。恐龍化石、三葉蟲化石、魚類化石……這些都是常見的古生物化石，但是還有一類「有味道」的化石，雖然難登「大雅之堂」，但也備受科學家珍視，那就是古生物的糞便化石。
  此前不久，來自中國科學院古脊椎動物與古人類研究所（以下簡稱中科院古脊椎所）的研究人員，對該所汪筱林研究員20多年前國際科考時采自蒙古國西部的7件糞便化石開展了研究。研究發現4個新的糞便化石遺蹟類別，包括2個新的遺蹟種和2個新的遺蹟屬，其中1個新的遺蹟屬還是迄今全世界發現的第二件中生代渦旋狀糞便化石。相關研究成果發表於國際學術期刊《科學報告》雜誌上。
  曾被誤認為是松柏植物化石
  糞便化石是一類遺蹟化石，對這類化石的研究目前已成為化石研究領域最重要的研究方向之一。隨著近年來，人們逐漸認識到糞便化石所包含的資訊在古生物學和古生態環境研究中的作用和重要性，糞便化石儼然已成為揭示古生物資訊的重要工具之一。
  有關動物糞便的研究歷史很長，最早可以追溯到1678年英國生物學家馬丁·李斯特的描述，但糞便化石這個術語直到19世紀才由英國古生物學家威廉·巴克蘭提出。在這之前，人們認為這些是松柏植物化石，因為牠們有著相似的螺旋紋。
  「事實上，在糞便化石中，螺旋狀糞便化石被認為是真正的糞便化石，因為牠們保存下來的形態特徵可以與某些魚類的腸道結構聯繫起來。螺旋狀糞便化石的外觀看起來像一條絲帶，它繞著一條長軸纏繞，但實際上牠們是由堆積的螺旋錐體形成的。」前述論文通訊兼第一作者、中科院古脊椎所博士生保羅·拉米告訴科技日報記者。
  目前螺旋狀糞便化石主要分為兩極糞便化石、異極糞便化石和渦旋糞便化石，這取決於在它周圍形成的捲曲紋路。
  這項研究涉及的7件化石標本，是由汪筱林1998年參與蒙古高原國際恐龍項目科考期間于同一地點所採集的。與汪筱林對比討論化石採集地點資訊，可以得知這7件糞便化石標本均產自蒙古國西部Tatal盆地早白堊世查幹察布組，距今約1.31億至1.26億年。其中，包括6件兩極糞便化石和1件渦旋糞便化石。
  「距今約1.31億至1.26億年的中生代渦旋糞化石極為罕見，這是繼印度提基組之後，世界上第二次發現中生代渦旋糞化石。」保羅·拉米說。
  捲曲形態與腸道直接相關
  不同造跡者所產生的糞便存在不同的形態特徵。通過對比不同糞便化石，可以得到造跡者的相應類群及其腸道構造的演化資訊。類似的研究由來已久，早在1667年，科學家就已經對現生魚類螺旋瓣狀的腸道進行了研究。
  迄今已知最古老的螺旋狀糞便化石記錄在南非上奧陶統索姆頁岩中，而最早的渦旋糞便化石記錄在愛爾蘭梅奧州路易斯堡志留系地層中。一般來說，渦旋糞便化石的記錄更為罕見，多見於古生代和新生代地層中。
  人們普遍認為，螺旋狀糞便化石確實是具有複雜螺旋形瓣腸的動物的產物，如鯊魚、鰩魚、肺魚，也許還有魚龍。牠們與水生環境密切相關；並在一般情況下被迅速掩埋。
  中科院古脊椎所博士生陳鶴介紹，一般來說，研究螺旋糞便化石相對容易，因為其特定的捲曲形態可以直接與特定類型魚類的腸道相聯繫，這在化石和現生物種上都得到了證實，例如鯊魚、槳魚、鱘魚、肺魚等。這些工作大部分是由以前的人完成的。
  談到具體該如何分析糞便化石，保羅·拉米表示，當你得到一塊糞便化石時，首先要做的是確認它是糞便化石，而不是其它什麼東西，這可以使用現代元素分析（比如能譜分析）來實現。肉食性動物的糞便化石通常由磷酸鈣和其他有機物組成，但需要注意的是，糞便化石最初的物質組成通常會在其石化過程中發生改變。同時，食草動物的糞便中普遍缺乏磷酸鹽，其石化過程中礦物質的富集是很明顯的。糞便化石是如何形成的，與它的埋藏環境有很大關係，這被稱為埋藏學研究。
  在這項研究中，研究人員劃分了不同的糞便捲曲紋飾，可以指示埋藏時間。通常新鮮糞便的外層包裹著一層腸黏膜，如果被迅速掩埋，這層腸黏膜會保留下來，這就是為什麼研究者會看到淺的捲曲紋。螺旋狀糞化石就像緞帶，在水中浸泡一段時間後就會展開。研究者必須對其進行適當的觀察，看這些捲曲是自然解開的，還是斷開的。
 埋藏條件各不相同
  「從這些糞便化石的顏色、乾裂程度、孔的數量、空腔數量及盤管深度存在的差異來看，其埋藏條件也各不相同。」陳鶴說，乾裂是由一定條件引起的，如糞便沉積在淺湖中，蒸發以後就會形成乾裂。
   研究團隊利用現代高科技手段，對這7件糞便化石進行高精度掃描、分析、研究，發現這些糞便化石標本中均存在骨骼殘片和鱗片，其中還存有完整的圍眶骨。據此，研究團隊推斷，產生這些糞便化石的生物的消化系統環境可能並非強酸性，並不足以溶解食物中的骨骼等。
   同時，研究人員過CT掃描確定了糞便化石的孔。在所有糞便化石的表面和內部都可以看到許多小洞，這些小洞很可能是由糞便中的氣體造成的。這些孔可以被稱為微孔或「脫氣孔」，其中包含消化過程中捕獲的氣體。當糞便從動物體內排出時，微孔中很快就充滿了水，從而使糞便變得沉重，並下沉到湖底。
   同時，研究團隊還利用掃描電鏡能譜（SEM-EDS）分析了化石中的鈣和磷酸鹽，也表明這些糞便化石的造跡者具有肉食性類群的特徵。此外，1件較小尺寸糞便化石中發現疑似植物花粉、被攝食動物完整的眶下骨、成團的骨骼碎片和菱形的硬鱗片，表示其造跡者有可能是以動物和植物為食的雜食性類群，或者它是捕食了植食性的動物所造成的殘留。其表面還存在生物侵蝕的痕跡，更進一步提供了白堊紀早期糞便分解者的相關生態資訊。而且，這件遺蹟化石也是目前全世界發現的第二件中生代渦旋狀糞便化石。
   保羅·拉米表示，蒙古國Tatal盆地出土的大多數糞便化石呈粉白色，這與牠們肉食性飲食中鈣的存在密切相關。