重新定义恐龙:是什么特征让一种恐龙区别于另一种?

摘要:

北京时间10月18日消息,据国外媒体报道,古生物学家提出了一个激进的理论,试图彻底重组长期使用的恐龙分类系统,这对建立在大约一个半世纪研究基础上的正统观点提出了挑战。

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目前的恐龙演化树从1887年开始使用,基本上是基于骨盆形态的差异。最近,科学家对这一分类方式的基础提出了新的观点

是什么特征让一种恐龙区别于另一种恐龙?这个问题可能会让很多人联想到霸王龙巨大的下颚、角龙和剑龙身上独特的角和板,以及蜥脚类恐龙及其近亲的超大身躯。但对于古生物学家来说,要对不同的恐龙进行分类,关键在于这些动物的骨骼形态。

有了恐龙骨骼的形态学特征和足够的化石骨架知识,古生物学家可以大致确定恐龙标本在恐龙家族树上的位置。然后,通过观察其他特征,特别是恐龙亚群共有的特征,他们可以更详细地找出这种动物的确切归属。

我们今天使用的恐龙分类系统首次发表于1887年。在研究了构成恐龙臀部的骨头的朝向后,古生物学家哈里·西利(Harry Seeley)提出,根据骨盆的结构,所有的恐龙都可以归为两类。与所有四足动物一样,恐龙骨盆由三块骨头组成:髂骨、坐骨和耻骨。西利发现,在某些物种,比如蜥脚类恐龙中,耻骨指向身体的前部,而对于其他物种,比如鸭嘴龙,耻骨则指向背部,与坐骨平行。西利将前一类恐龙称为“蜥臀目”(Saurischia),因为这些动物的髋骨方向与蜥蜴的相似;后一类恐龙则被称为“鸟臀目”(Ornithischia),因为它们的臀部结构与现代鸟类相似。在西利的分类中,这两大分支中演化出了更特化的恐龙群体,包括演化出暴龙、驰龙和鸟类等类群的兽脚亚目恐龙。

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这张剑龙骨架图显示了其骨盆的后向耻骨。剑龙属于鸟臀目,因为它们的骨盆结构与现代鸟类相似

从西利的时代开始,恐龙研究人员就一直把蜥臀目恐龙和鸟臀目恐龙区分开来。但是,在《自然》(Nature)杂志2017年的一项研究中,由英国剑桥大学古生物学家马修·巴伦(Matthew Baron)领导的团队提出了对这种分类的彻底重组。巴伦和他的团队建议,应该把鸟臀目和蜥臀目分类放在一边,采用一种修正过的演化树——对臀部骨骼结构的二分法并不能包含一切。这个新的分类把兽脚亚目恐龙和鸟臀目恐龙归为一个新的类群,称为“鸟腿目”(Ornithoscelida),而蜥脚类恐龙和艾雷拉龙(herrerasaurids)——在三叠纪灭绝的早期肉食性恐龙——仍然属于蜥臀目(严格来说是蜥脚亚目)。

这样的重组涉及恐龙演化树底部附近的分支,代表着一次重大的改革,并且挑战了建立在大约一个半世纪前研究基础上的正统学说。新的分类有许多意义,比如表明肉食性恐龙独立演化了至少两次,分别是艾雷拉龙和兽脚亚目恐龙。由于这两个群体之前都被认为是蜥臀目,因此传统观点认为,肉食性恐龙似乎只进化过一次。此外,羽毛曾经被认为存在于多种恐龙谱系中,但现在似乎只出现在兽脚亚目恐龙身上,而鸟类正是从兽脚亚目恐龙演化而来。此外,在长期使用的哈里·西利的演化树中,我们并不清楚所有恐龙的最后共同祖先是蜥臀类还是鸟臀类,也不清楚从一种构造到另一种构造的演化过程可能发生了多少次。新的演化树意味着,最早的恐龙具有似蜥蜴骨盆,而似鸟类骨盆的形态后来在多个“鸟腿目”支系中演化出来,特别是在鸟臀目和几个兽脚亚目恐龙类群中。

然而,许多古生物学家并不准备接受这一经过修改的演化树;这是一个艰难的命题,意味着我们对恐龙演化史的理解发生了巨大转变。一些研究人员呼吁,我们应该谨慎行事,进行更多的研究。

一切都与骨骼有关

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左边是传统的恐龙演化树,根据骨盆形态的差异,将鸟臀目和蜥臀目分开。右边是马修·巴伦及其同事提出的新演化树,其中鸟臀目与兽脚亚目形成了一个新的类群,叫做“鸟腿目”(Ornithoscelida

区分恐龙群体的关键是解剖数据,尤其是与骨骼相关的数据。然而,这些数据可能在某种程度上有些主观,因此定义起来并不容易。当古生物学家试图区分某一种恐龙或某个恐龙类群时,他需要借助其他骨骼形态学的差异记录。如果有足够多的差异被记录下来,就能描绘出关于恐龙如何演化出不同物种的画面——从演化枝层面一直到单个物种。

从广义上讲,恐龙作为一个整体与其他爬行动物类群(如翼龙)的区别在于,它们的髋臼窝上有一个洞。虽然髋骨一直是研究的重点,但也有许多其他骨骼需要考虑,例如股骨和牙齿。虽然像迷惑龙(Apatosaurus)这样的蜥脚类恐龙有相对直的股骨,类似于支撑古希腊神庙的柱子,但像暴龙这样的兽脚亚目恐龙的股骨则更多地呈弓形。与此同时,蜥脚类动物的牙齿形态也有所不同:一些具有铲状的牙齿,而另一些的牙齿则更像钉子。

这基本上就是巴伦和他的团队在2017年的研究中所做的工作。他们建立了一个他们认为最能区分恐龙的形态学特征数据集,包括颅骨上独特的开口,以及不同肢体骨骼的形状差异。他们总共观察了74个不同恐龙类群的457个特征,其中大部分数据来自之前发表的科学文献。巴伦解释称,尽管他们并没有打算从根本上重建恐龙的演化树,但分析的结果使他们做到了这一点。

复杂的演化树基础

当你越接近恐龙演化树的底部,也就是主要类群分化的地方,通过分析特征来区分恐龙物种的做法就越棘手。已知的早期物种都有相似之处,古生物学家往往很难分辨谁是谁。这也是争议的根源。对于巴伦团队修改的恐龙演化树,苏格兰爱丁堡大学的脊椎动物古生物学家史蒂夫·布鲁萨特(Steve Brusatte)表示,这些早期的恐龙物种——称为“恐龙形态类”(dinosauromorph)——是解密恐龙演化树基础的关键。

在恐龙形态类中,一个基础物种是晚三叠纪的月亮谷始盗龙(Eoraptor lunensis)。该物种的化石发现于阿根廷西北部的月亮谷,是一具近乎完整的骨架。始盗龙是一种两足恐龙,生活在2.3亿年前的冈瓦纳超级大陆上。它的大小和狗差不多,生活在恐龙成为陆地顶级掠食者之前,后来才演化出今天我们所知的许多著名恐龙物种。

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月亮谷始盗龙是一种早期恐龙,它可能是解决目前关于恐龙演化树争论的关键

巴伦表示,月亮谷始盗龙的前肢似乎适合抓握,而且它看起来是“完美、标准的基础恐龙物种”。因为从形态上看,它可能是几乎任何恐龙的祖先——这在确定哪些恐龙可能是它的直系后代时是个问题。巴伦说:“始盗龙就像是一场噩梦……”关于始盗龙到底是什么,目前还众说纷纭。

巴伦和他的同事认为,始盗龙适合抓握的前肢类似于后来兽脚亚目恐龙的前肢。其他研究人员,包括在20世纪90年代协助发现月亮谷始盗龙的芝加哥大学古生物学家保罗·塞里诺(Paul Sereno),根据拇指骨骼等特征,认为它是蜥脚形亚目(Sauropodomorpha)的一员。蜥脚形亚目被认为是蜥脚类恐龙的祖先。塞里诺指出,月亮谷始盗龙的拇指骨头弯曲,拇指的一侧与地面接触,这是后来蜥脚类恐龙的显著特征之一。

1961年,在南非侏罗纪早期的岩石中发现了另一种早期恐龙,塔克畸齿龙(Heterodontosaurus tucki)。古生物学家根据似鸟骨盆等特征将其归类为鸟臀目恐龙。然而,2017年新演化树论文的共同作者、伦敦自然史博物馆的恐龙专家保罗·巴雷特(Paul Barrett)表示,塔克畸齿龙“具有许多只有肉食性兽脚亚目恐龙才有的特征”。塔克畸齿龙与兽脚亚目恐龙的相似特征包括细长的肩胛骨、臀部前方用于肌肉附着的突出部分,以及像月亮谷始盗龙那样适合抓握的前肢。这些共同点使巴伦、巴雷特和他们的同事第一次意识到,恐龙演化树“发生了一些更加复杂的事情”。

巴雷特表示,塔克畸齿龙“是一种鸟臀目恐龙”,但基于新提出的恐龙演化树,它似乎比原先想象的更接近兽脚亚目恐龙。

这些早期恐龙生活在演化树的底部,对上层结构有着重要的意义。但是,早期恐龙的身份还存在着很多不确定性:它们是什么?它们与后来的哪些恐龙关系最密切?这些都意味着它们在演化树上的位置尚未确定。布鲁萨特表示,这些早期恐龙“在演化树上到处移动”,取决于你向谁提问。“这些奇怪的物种中有一些具有不同群体的特征组合。它们会造成麻烦,但也能让我们看得更清楚。它们可以把不同类群联系起来,”他说道。

最重要的决定因素

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和始盗龙一样,塔克畸齿龙也是近几十年来发现的早期恐龙之一。这些新发现促使一些古生物学家重新思考恐龙的分类

不过,在做出任何定义之前,科学家必须就各种形态特征(如拇指形状)的重要性或相关程度达成一致意见,以便解释不同物种之间的关系。这些特征应该如何评估呢?塞里诺指出,这种评估十分主观。

塞里诺表示,目前恐龙古生物学家整合和使用数据集的方式,以及他们建立演化树的方式,都需要改变。他说:“你可以提出一个假说,然后忽略其他人以往观察同一类群时所用的很大一部分数据。”

例如,当研究人员评估骨骼形态时,他们可能会将骨骼的某个特定部分描述为圆形或方形,这取决于研究人员自己。此外,如果某个研究者不能判断形态学是圆的还是正方形的,他们可能会简单地标注这个特征“不存在”。但是,塞里诺解释称,“缺失”或“存在”与形态——感兴趣的特征——无关,因此将形状描述为“缺失”掩盖了该特征在解释演化关系方面的意义或相关性。

塞里诺认为,恐龙特征的评估和数据集的使用都需要标准化,这是解决研究人员主观性问题的唯一方法,“我们需要更多的规则”。

这些新规则将如何形成尚不清楚,但在标准化之前,当不同的研究人员进行分析时,将继续出现不同的结果和不同的演化树。例如,在2017年修改恐龙演化树的提议之后,布鲁萨特及其合作者研究了巴伦团队使用的同一组特征。他们仔细分析了研究中涉及的每一种形态特征,并根据自己的专业知识对它们进行了重新解释。最后,他们提出了支持传统鸟臀目和蜥臀目分类的演化树。布鲁萨特说,主观性就是“这场‘游戏’的本质”。

古生物学的很多内容都来自主观的描述和假设,比如始盗龙的“抓握前肢”与后来的兽脚亚目恐龙或蜥脚类恐龙之间到底有多大的相似性  古生物学的很多内容都来自主观的描述和假设,比如始盗龙的“抓握前肢”与后来的兽脚亚目恐龙或蜥脚类恐龙之间到底有多大的相似性

不过,这场争论所有的参与者似乎都同意,“我们真的需要更多的化石,尤其是来自恐龙演化树底部附近的三叠纪恐龙新化石,这些化石有助于理清这些支系之间的关系,”布鲁萨特说,“(这场争论)揭示出,我们以往认为的定论实际上还是一个谜,而这个谜必须被解开。”

巴伦表示同意:“可能是两三个发现造成了所有的不同。”

目前,我们还不清楚哪种版本的恐龙演化树——传统的还是修正的——更接近真相。与此同时,为了克服意见上的分歧,古生物学家需要建立一套用于分析化石的标准指标,“我们需要更多的合作,”巴伦说。(任天)

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