微小化石揭示恐龙失落的世界

走进自然历史博物馆的化石展厅，你很可能会遇到一些地球上曾经存在过的最令人惊叹的生物的壮观骨骼：恐龙。从高耸的蜥脚类恐龙和可怕的暴龙，到坦克般的甲龙和带角的角龙，恐龙主宰了我们对过去的认知。但是，为了理解这些动物及其世界，科学家们必须超越惊人的迷惑龙、霸王龙和其他标志性恐龙的遗骸，去关注最初看起来非常不起眼的微小化石。你不会在公共展览中看到这些不起眼的微体化石，但它们为我们提供了了解我们最喜爱的史前巨兽的生活和时代的最佳线索。

在过去的三十年里，我们一直在进行探险，以便在密苏里河上游国家纪念地（Upper Missouri River Breaks National Monument）——蒙大拿州中部一片绵延149英里的令人惊叹的荒地中，找回这些化石。正是在这里，科学家们从19世纪开始首次看到了北美的恐龙，我们的团队发现了一系列非凡的、以前不为人知的生物的丰富化石，这些生物与那些更广为人知的恐龙共同生活。这些化石记录了一个生态系统，这个生态系统在致命的小行星撞击地球前一千万年就已繁荣发展。

我们一直以被称为脊椎动物微体化石骨床（vertebrate microfossil bonebeds），或VMBs的特殊化石组合为目标。这些地点保存了数千个小型、坚硬的动物部分，范围从微小寄生虫的痕迹，到小鱼的鳞片，再到大得多的青蛙、乌龟、鸟类、哺乳动物、鳄鱼和恐龙的碎片。我们在野外和实验室中都发现了化石，在实验室中，我们使用解剖显微镜在沉积物中寻找微小的遗骸。这些保存完好的化石正在提供一些关于恐龙生态系统的最高分辨率图像。它们揭示了经常被忽视的生物，这些生物在恐龙的脚边匆匆而过、游来游去，在它们的耳朵里嗡嗡作响，甚至可能捕食它们的幼崽——并以它们的尸体为食。有了它们，远古世界就生动起来了。

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我们两人对研究VMBs带来了非常不同的视角。Kristi致力于了解有史以来最大的恐龙——被称为蜥脚类恐龙的长颈四足食草动物的生物学。这些巨兽在她有记忆以来就一直让她着迷。Kristi最乐意在阳光照射的采石场里辛勤工作，慢慢挖掘出比她自己大得多的肢骨。相比之下，Ray是一位地质学家，他研究岩石以解读骨床——骨骼的堆积物——是如何形成的，以及它们揭示了关于生物生命和死亡环境的什么信息。对我们来说幸运的是，除了是夫妻之外，我们还是彼此最亲密的科学合作者。

在我们联手之前很久，Ray就一直忙于研究与Kristi关注的化石沉积截然相反的化石沉积。Ray可能在几个小时内在VMBs中收集数千个化石，而不是花费整个野外考察季来挖掘单个巨大的骨骼。这听起来令人惊叹，但来自VMBs的大多数化石都非常小，你一打喷嚏就能把它们从指尖吹走。Kristi对挖掘最大的巨兽有着持久的热爱，她不情愿地转变为VMBs的研究。但是，用手持放大镜和显微镜观察微小遗骸，揭示了生活在她所研究的巨兽阴影下的一群生物的完美保存的骨骼。Kristi意识到，来自VMBs的微体化石在揭示恐龙生态系统的运作方式方面具有超乎寻常的力量。

通过我们在密苏里河上游国家纪念地——或被称为荒地（Breaks）的地方——的工作，我们已经能够非常详细地重建这样一个生态系统。这是一个历时数十年的场景。1855年，一位名叫费迪南德·海登（Ferdinand Hayden）的26岁探险家和博物学家首次对荒地进行了地质调查。在短短几天内，他穿越了那里大约7600万年前的露头。他对这些富含化石的岩石的探索，产生了北美首次科学采集的恐龙骨骼和牙齿。但海登不仅仅采集恐龙遗骸。从我们现在会认为是经典的VMB的地方，他还捡起了一小把鱼、乌龟和鳄鱼的骨骼和牙齿。凭借他的第一个重大发现，海登不仅用一群恐龙丰富了我们对史前北美的看法，而且开始揭示一个古代生态系统。

30多年来，我们和我们成群的本科生一起追随海登的脚步。我们以老式的方式进行，划着独木舟和徒步穿越荒地，冒着酷热、泥泞、虫子和蛇的侵扰，寻找生活在白垩纪时期的动物的遗迹。我们的工作产生了数以万计的恐龙以及与它们共同生活的动物的骨骼和牙齿。我们已经了解了这些特殊的化石组合是如何形成的，这些化石代表了哪些生物，以及它们可以教会我们一些关于恐龙使其闻名的复杂白垩纪世界的信息。

荒地的中心是密苏里河，这位景观设计师负责雕刻了起伏的平原上戏剧性的“断裂带（break）”，这个区域也因此得名。岩石露头在河谷上方数百英尺处耸立。这些条纹状的砂岩、泥岩和煤层构成了朱迪思河组。

在组地层底部和顶部附近发现的海相砂岩和页岩表明，在白垩纪时期，海洋离这里并不遥远。那时，朱迪思河沉积物正在靠近一个被称为西部内陆海道（Western Interior Seaway）的浅海海岸线附近堆积。海道从北冰洋延伸到墨西哥湾，并向东穿过现在的哈德逊湾，基本上将北美分为三部分。在白垩纪时期，海岸线在我们现在工作的野外区域以东仅几英里处，使我们在荒地的野外区域成为海滨地产。古代河流从新生的落基山脉流向西部内陆海道。沼泽泛滥平原环绕着这些白垩纪河流；这是一个类似于路易斯安那州的阿查法拉亚盆地（Atchafalaya Basin）或佛罗里达大沼泽地（Florida Everglades）的环境。

这样的地方为产生非凡的化石记录提供了完美的条件。温暖潮湿的环境拥有丰富的食物和水，可以支持许多不同的植物和动物。当这些生物在现在的荒地死亡时，它们的遗骸缓慢而稳定地积累在平静的湖泊和湿地中，最终被细粒泥土覆盖。这些沼泽系统中的沉积物化学性质同样有利于长期保存。化学条件不是溶解脆弱的骨骼、牙齿和贝壳，而是促进了化石化，基本上将这些身体部分变成了石头。

地质力量也在保存这些生物以供后世研究方面发挥了作用。整个地区构造活跃，是巨大的地质盆地的一部分，该盆地是由于附近隆起的山脉向下压地球地壳而形成的。这个盆地使朱迪思河组沉积物及其保存的化石得以积累，而不是被侵蚀入海。这个地区现在正在经历的侵蚀使我们有可能在岩石中找到化石。

虽然朱迪思河组的部分地区保存着大型、美丽的恐龙骨骼，但我们作为目标的区域，位于河谷深处，则有些不同。这些地点——VMBs——保存了大量骨骼、牙齿和其他碎片，这些碎片只有几分之一英寸大小，来自恐龙到软体动物等生物。

学者们长期以来一直在争论VMBs是如何形成的。最早的假设之一是，VMBs中保存的化石集体通过了古代食肉动物的消化道，这些地点代表了粪便的聚集地。虽然粪便组合确实存在于化石记录中，但这种解释本身无法解释朱迪思河VMBs的保存质量和地质背景。另一种假设认为，当河流流量增加时，会携带来自一系列动物的小型、坚硬的部分，并将它们沉积在一个地方，从而形成VMBs。但是，我们在朱迪思河组中收集的地质和法医学数据在很大程度上与这种基于搬运的情景不一致。

我们与史密森学会国家自然历史博物馆的恐龙馆馆长马修·卡拉诺（Matthew Carrano）合作，花费了大量时间剖析了20多个朱迪思河组VMBs的精细细节，并开发了一个关于这些地点如何形成的新模型。我们的数据表明，这些VMBs积累在池塘和湖泊中。细粒沉积物像雨点般落在生活和死于这些长期存在的水生生态系统内外的动物遗骸上。随着时间的推移，坚韧的骨骼遗骸聚集在底部，形成了化石沉积。当底栖生物在泥土中 burrowed，以腐肉为食，并在日常活动中搅动沉积物时，单个骨骼破裂，它们的元素分散开来。

这种情况解释了为什么VMBs产生通常脱节的骨骼碎片，以及为什么持续存在的身体部分往往特别耐用和坚固（想想牙齿、小骨骼和鳞片）。当你研究VMBs时，你无法像找到单个恐龙骨骼那样将股骨与膝盖骨连接起来。但是，VMBs告诉我们的信息比单个大型骨骼能告诉我们的多得多，因为它们保存了群落。

“当铺路结束时……乐趣就开始了。”这是蒙大拿州温尼弗雷德镇（Winifred, Mont.）当地酒吧的啤酒隔热套上印的标语，这个镇的人口大约200人。没有比这更好的描述这个草原绿洲了。温尼弗雷德是我们在离开铺路路面，转入土路和河流之前，文明的最后一站。我们正前往一个很少有人涉足的地区，这正是我们喜欢的方式。对我们来说，就像对海登一样，到达荒地最远和最有趣区域的最佳方式是乘船和步行。

一旦我们在温尼弗雷德离开铺路路面，小路就会蜿蜒下降到河流，那里的热量从山谷的岩壁上辐射出来——河上的温度通常比温尼弗雷德高至少10度。空气是静止的，荒地是寂静的，除了偶尔有蚱蜢拍打翅膀飞向天空时发出的咔哒声和噼啪声。

只有几条道路穿过这片区域。其中一条通往斯塔福德-麦克莱兰渡轮码头（Stafford-McClelland Ferry terminal），那里有架空电缆引导平台渡轮横渡密苏里河。这是数英里范围内仅有的几个过河地点之一，它经常作为我们独木舟船队的出发点。一旦我们开始旅程，在我们下游上岸之前，我们几乎不可能看到其他人。我们的船上装满了50英里划桨所需的装备，包括尽可能多的水、我们所有的食物、帐篷和收集用品，包括几个五加仑的桶，主要是用来收集含化石的沉积物（至少有一个桶将在接下来的几天里充当我们的厕所）。我们旅程中唯一流动的淡水将是浑浊的河流。沐浴将是在齐膝深的粘稠泥浆中跋涉的浸泡。它们让我们凉爽下来，但我们通常最终会比以前更脏。

荒地环抱着我们周围的河流，形成了一条岩石走廊，头顶只有天空。秃鹰在河岸边的三角叶杨林中筑巢，鱼鹰扫描着我们前方的河流，寻找食物。海狸浮出水面，拍打着尾巴发出警告，声音在山坡上回荡，向下游传播。时不时地，我们可以辨别出就在浑浊的水面下的巨大鲶鱼和鲤鱼的轮廓，偶尔，一只鳖会探出它尖尖的头，在河中央查看我们。

在下午的寂静中，太阳炙烤着，加热着我们的铝制独木舟和我们的肩膀。我们将脚伸到船外降温。我们拍打着蚊子和蠓虫，这些小飞虫喜欢叮咬耳朵、眼睑和发际线。如果起了风，我们可能会用松紧带将独木舟互相捆在一起，并排划行，举起防水布作为临时船帆，快速向下游驶去。在傍晚时分，我们会在三角叶杨树令人愉悦的阴凉处找到一个地点并安营扎寨。

我们随着太阳醒来，徒步进入山区，在我们躲避尖刺丝兰和仙人掌，并在芳香的鼠尾草丛中穿行时，注意响尾蛇。我们偶尔会惊扰到在阴影中休息的盘羊，或者当另一只盘羊沿着我们上方最高的悬崖小跑时，我们自己也会被吓到。我们的目光集中在地面和附近的斜坡上，寻找VMBs。

在这个广阔的景观中找到如此小的化石似乎是不可能的，但有一些线索可以指导我们。我们寻找恰到好处的沉积岩：深灰色和棕色的泥岩，可能带有一些煤黑色的化石植物，表明是沼泽环境，以及带有倾斜图案的浅灰色砂岩，反映了古代水流。我们还寻找在阳光下闪闪发光的露头。闪光来自白垩纪池塘和湖泊中生活和死亡的蛤蜊和蜗牛的化石碎片。VMBs通常在这些闪闪发光的岩层中被发现。

当有人发现一些从山坡某处岩层中风化出来的破碎化石碎片时，我们会追踪这些碎片，回到它们的源头，慢慢地手脚并用向上爬坡，鼻子贴着地面，眼睛扫描着从侵蚀岩石中露出的微小化石。最终，我们将到达化石集中的地层。我们可以在一个小山丘上花费整整一天或更长时间，使用冰镐或小刀帮助轻轻地从VMBs的软岩中撬出化石。我们收集我们能看到的一切，小心地将我们的化石添加到样品袋和小瓶中。在我们搜寻完表面后，就该搬出岩锤、锄镐和铲子了。我们挖掘出骨床的石块，并将它们装入我们的五加仑桶和巨大的样品袋中。

一旦我们回到大学实验室，我们就将含化石的沉积物装入我们称之为“浸泡器（Dunker）”的装置中。这种自动化装置通过堆叠的不同网孔尺寸的筛子清洗骨床沉积物。我们将沉积物块放入一个筛子中，该筛子可以捕获任何大于约0.08英寸的化石和岩石碎片，但允许较小的碎片通过。在这个筛子下面是一个细网筛，它可以捕获小至0.02英寸（小于针头）的化石碎片。在浸泡器中浸泡几个小时后，大多数沉积物块分解，沉积物被冲走，在筛子中留下骨骼、牙齿、贝壳和其他化石的残留物。

在回收化石后，我们转移到显微镜下。我们的学生花费了数百小时专注于筛分后回收的化石。他们使用超细油漆刷，刷毛被稀释到只有几根毛发，来对化石浓缩物进行分类。在放大镜下观察VMB世界是多么令人惊叹。肉眼看到的只是黑色斑点，但在显微镜下却变成了完美的小牙齿、颌骨、肢骨和椎骨。朱迪思河组的多样性变得生动起来。

让我们向您介绍我们在VMBs中遇到的角色阵容。我们从陆地领域开始，白垩纪的明星——恐龙——就生活在那里。恐龙的牙齿一生都在更换，这些牙齿是我们收藏中最常见和最容易识别的化石之一。我们VMBs中的一些恐龙牙齿属于甲龙，例如Zuul属中的恐龙，以及肿头龙，例如Stegoceras。到目前为止，我们样品中数量最多的恐龙牙齿来自食草恐龙，它们的牙齿排列成一个研磨面，功能上类似于哺乳动物的臼齿。通常我们只发现这些牙齿的磨损碎片，因此识别特定物种可能很困难，但我们已经回收了鸭嘴龙科恐龙（包括Brachylophosaurus）以及角龙科恐龙（如Spiclypeus）的牙齿。

我们的地点也产生了食肉恐龙的踪迹，它们是晚白垩世生态系统中的顶级掠食者。锋利的、锯齿状的牙齿证明了霸王龙的近亲达斯布雷龙（Daspletosaurus）和小型带羽毛的兽脚亚目恐龙伤齿龙（Troodon）的存在。我们还发现了来自无齿、像鸵鸟一样的兽脚亚目恐龙似鸟龙（Ornithomimus）的爪子和椎骨。恐龙也以鸟类的形式统治着朱迪思河生态系统的天空。小型、脆弱的动物通常保存得不好，但许多早期鸟类都有牙齿，这些牙齿足够耐用，可以在VMBs中幸存下来。

像鸟类一样，哺乳动物是晚白垩世化石记录中的另一个难以捉摸的群体。但我们知道它们来到了朱迪思河组的湖泊和池塘，因为我们偶尔会发现来自小毛球的牙齿，例如Alphadon，它类似于现存的负鼠。

这些哺乳动物可能成为了生活在古代湖泊及其周围的许多水生爬行动物的猎物。大大小小的鳄鱼和短吻鳄在开阔的水域和海岸线捕猎。它们的牙齿、椎骨和骨质装甲板是最常见的VMB化石之一。阵容中一种不寻常的生物是Champsosaurus。这种长吻、尖牙的动物看起来有点像今天的恒河鳄，一种以鱼为食的鳄鱼，会伏击它的猎物。Champsosaurus的线轴状椎骨和宽阔的肋骨经常在我们的地点出现，表明它是朱迪思河组生态系统中的重要参与者。

正如你可能在 7600 万年前的水世界中所期望的那样，鱼类非常丰富。我们的藏品包括数千个椎骨、牙齿和鳞片，代表大型鱼类和小鱼。这些鱼本应成群结队地游弋在朱迪思河组的湖泊中，使水面因它们的集体运动而闪闪发光。淡水鲨鱼也曾在这些水域中游泳，还有Myledaphus，一种类似吉他鱼的生物，它有扁平的菱形牙齿，非常适合压碎小型甲壳类动物和软体动物。

凶猛的雀鳝（Lepisosteus）也数量众多。它们的鳞片帮助我们记录了朱迪思河组中物种之间生态相互作用的一个有趣故事。雀鳝的身体受到一层相互锁定的鳞片盔甲的保护，这些鳞片覆盖着一种特殊的类搪瓷组织，称为硬鳞质（ganoine）。当鳄鱼吞食雀鳝时，它们严酷消化系统中的酸会剥去鱼鳞外层的硬鳞质，使鳞片受到腐蚀。我们可以从VMBs中雀鳝鳞片的状况看出，鳄鱼当时就在吃雀鳝，就像它们现在所做的那样。

这些水生生态系统也孕育着各种两栖动物。有趣的是，我们从筛子中回收的许多微小的两栖动物肢骨元素和肋骨上都覆盖着更小的牙齿痕迹。这些痕迹是在雀鳝、小鳄鱼甚至小型兽脚亚目恐龙咬了一口，并将牙齿沿着骨骼刮擦时留下的。

两栖动物并不是这个生态系统中唯一在水陆之间移动的生物。乌龟也花时间在湖泊和陆地上。我们发现了来自龟壳的骨质板，这些骨质板具有几种软壳龟物种特有的独特装饰图案，以及鳄龟。蜥蜴也在这里安家。我们已经证实了几个不同蜥蜴类群的存在，从现存鬣蜥的近亲，到长尾石龙子状的形态，再到重装甲的食虫物种。

我们还在VMBs中发现了化石蛋壳。当孤立地发现时，鸡蛋和蛋壳可能很难与特定物种联系起来。因此，有一种特殊的蛋壳分类系统，称为卵分类学（ootaxonomy）。我们首先描述蛋壳的内外表面，记录颜色和纹理，以及允许与发育中的胚胎进行气体交换的孔隙的分布。然后，我们在显微镜下观察蛋壳的薄切片，以观察其晶体结构。此外，我们可以研究蛋壳的化学成分，以寻找可能产下这些蛋的生物类型的线索。通过以这种方式评估化石蛋壳，我们已经能够确定兽脚亚目恐龙和鸭嘴龙科恐龙，以及各种鳄鱼和乌龟在朱迪思河组内保存的茂盛低地环境中筑巢。

偶尔，就在我们盯着VMB残留物看了几个小时显微镜后，视力开始模糊时，我们会发现一些新的东西，它不是可识别的骨骼、牙齿或其他身体部位。有时，这些神秘的遗骸最终变成了遗迹化石——动物活动的记录，但不是动物自身的一部分。这些化石，可以是牙齿痕迹（如在两栖动物骨骼上看到的那些）、脚印或粪便，以及其他痕迹，都表明了我们可能无法以其他方式检测到的生物的存在和行为。

被称为胃石或“胃石”的小型、甜甜圈状结构是我们样品中出现的一种遗迹化石。它们表明，小龙虾在白垩纪时期生活在荒地的湖泊、池塘、河流和小溪中。在现代小龙虾中，胃石用于储存碳酸钙，这是它们外骨骼的重要组成部分。当小龙虾生长时，它们必须蜕掉旧的外骨骼，并建造一个新的更大的外骨骼。它们不是完全丢弃旧的盔甲，而是通过将其隔离在胃石中来保存其珍贵的碳酸钙，直到它们可以重新部署它。我们在朱迪思河组中发现的胃石暗示，白垩纪小龙虾，就像它们现代的同类一样，是减少、再利用和回收方面的专家。

也许我们VMBs中最神秘的遗迹化石是在蛤蜊壳碎片上经常发现的冰屋状凸起。多年来，我们一直对这些奇特的特征感到困惑，直到我们最终意识到它们与现代寄生扁形虫侵染蛤蜊时形成的结构相同。蛤蜊建造冰屋作为一种自卫行为，试图将入侵的寄生虫包含在一个矿化的腔室中。我们完全有理由相信，我们的白垩纪蛤蜊也在做同样的事情来保护自己。

寄生虫往往具有小而柔软的身体——这些特征不利于化石化。因此，科学家通常无法将这些在生态上重要的动物纳入他们对化石食物网的重建中。朱迪思河VMB蛤蜊壳冰屋不仅证实了扁形虫在这个生态系统中的存在，而且将已知最早的扁形虫和蛤蜊之间这种寄生相互作用的发生时间从仅仅大约6000年前推回到了7600万年前。现代扁形虫寄生虫具有复杂的生活周期，涉及多种宿主物种。蛤蜊只是扁形虫生命周期中的一个宿主，而食蛤蜊的涉禽通常充当最终宿主。也许在白垩纪时期，扁形虫在蛤蜊和恐龙等截然不同的生物之间建立了生态联系。

朱迪思河组VMBs中不起眼的化石为我们提供了关于这个充满活力的恐龙失落世界的惊人见解，比我们以前想象的还要多。然而，我们知道还有很多东西需要学习。像蛤蜊壳冰屋这样的发现突显了费迪南德·海登在他1855年穿越荒地的开创性旅程中发现的东西：没有化石太小或太不起眼，无法揭示关于古代生态系统的惊人、意想不到的细节。