首都科学讲堂回顾丨第839期：龙年说龙新年主题讲座《海洋霸主鱼龙》

（化石网cnfossil.com）据北京科学中心：中生代时期，地球上爬行动物空前繁盛，形成了著名的“恐龙时代”。同一时期，一些陆上的爬行动物选择向海洋进军，开启了一段新征程。其中之一的鱼龙历经劫难、崭露头角，成为了海洋中的顶级捕食者，演绎了一段令人惊叹的进化史。鱼龙是如何“下海”的？成为海洋霸主前，它又经历了哪些磨炼？

时值 2024 甲辰龙年，本期首都科学讲堂以“龙”为题，特别邀请北京大学地球与空间科学学院教授江大勇，带您一起回溯探索中生代海洋霸主鱼龙的起源故事。

主讲嘉宾：江大勇

作为智慧的人类，我们常常思考自身的存在，问自己关于我们的身份、起源以及未来的问题，考虑我们会经历何种变化，甚至思考我们人类是否会在未来被硅基生命所取代，尤其是随着人工智能的快速发展，这些都是我们共同关心的问题。这些问题实际上蕴含着我们对生命本质的探求。

涉及到生命的变化，我们意识到生命之所以发展，是因为有了地球这个依托。虽然有人常常提问生命是否来自于外太空，但我们无法否认的是，生命在地球上演化，最终才形成了现在的智慧人类。地球在整个宇宙和太阳系中是独一无二的，因为有了人类等各种生命，地球才充满了生机。

关于地外是否存在类似地球的星球，我们目前还没有确切的答案。也许这需要年轻一代的努力，未来或许能在宇宙中找到更多宜居的星球和生命形式，但无论如何，要了解生命的变化和本质，我们需要深入研究地球上的生命。

在研究地球上生命时，古生物起着至关重要的作用。因为古生物研究为我们提供了解生命变化和生命与环境关系以及重要时间框架。相较而言，现代生物学更多关注当今时段的所有生命现象和生命规律。与现代生物学相比，古生物多了一个时间尺度，通过它们我们可以更全面地理解生命的历程。

科学家达尔文是古生物学的奠基人，他为该学科做出了巨大贡献。他提出的进化论在当时与神创论进行了激烈的辩论，成为马克思主义哲学的三大科学基础之一。进化论强调地球上的生物是在演变的过程，是在逐渐变化的，包括人类也在逐渐演变。

达尔文主张渐变，即进化论，尽管他承认在地球上存在一些突然变化的现象，但他认为这可能是由于化石记录不完整或地层缺失造成的。他认为需要找到每一个环节、每一个痕迹，才能全面了解生命的变化过程。

从另一个角度看，整个生命界的演化过程似乎呈现出一种螺旋式上升的趋势。地球诞生于46亿年前，而最早的生命出现于38亿年前，包括细菌和蓝藻等原始的单细胞原核生物。经过十几亿年的演化，我们从原核生物逐渐演化真核生物，之后又演化出多细胞生物。在地球上发生了一次雪球事件之后，整个地球被冰雪包裹，然后，多细胞生命开始蓬勃发展。

大约5.3亿至5.2亿年前，寒武纪后生生物大爆发事件发生，这一重大演化事件中，现在的所有高级分类单元都出现在地球上。

这一演化历程中，寒武纪之前被称为隐生宙，因为生命形式相对简单，化石记录较为稀少。而寒武纪和寒武纪之后则被称为显生宙，因为在寒武纪大爆发后，生命形式变得更加多样，包括产生了有硬体骨骼的生物。这个寒武纪及其后的时代是化石记录相对完整的显生宙。

从寒武纪开始，古生代被认为是海洋无脊椎动物的时代。这些海洋无脊椎动物包括三叶虫、腕足、双壳动物以及四射珊瑚等，它们在古生代时期（距今5.2亿年至2.52亿年）繁盛无比。

生物的演化过程并非简单的线性变化，也不是单一的螺旋线，其中既包括缓慢积累的过程，也有重大的突变。从寒武纪开始，生命形式逐渐变得复杂，留下了大量化石，证明生命演化的速率逐渐加快。寒武纪时期，澄江动物群中出现了最原始的脊索动物，尽管古生代主要以海洋无脊椎动物为主。

随着时间的推移，脊椎动物逐渐发展。在泥盆纪时，鱼类成为主导，而在泥盆纪晚期，一些鱼类进化出了四肢并上岸，演化为两栖动物。植物也经历了演化，在更早的志留纪就登上了陆地，从最早的海洋藻类逐渐发展为陆地植物，使地球变成了绿色的环境。

石炭纪时，两栖动物演化为爬行动物，这类动物更为发达，拥有坚固的骨骼和更聪明的大脑。二叠纪末期发生了地球历史上最重大的生物大灭绝事件，然而，爬行动物却在大灭绝事件后的三叠纪迎来了大发展时期，最终成为中生代的主要统治者。

在中生代，恐龙统治着陆地，各种海生爬行动物，如鱼龙和蛇颈龙占据大洋，而翼龙和鸟类统治着天空。与此同时，哺乳动物的祖先也在中生代起源。白垩纪末期发生了一次大灭绝事件，而在大灭绝事件后，哺乳动物在新生代迎来了发展的机遇，最终演化为现代人类。

总体而言，生物演化并非线性变化，其复杂性可比作一棵树，每一个分支都代表一类生命形式。化石记录的复杂性使得我们对生命演化的了解仍然有限。同时，地球的板块运动和环境的变化也在影响着生物演化的过程，要全面理解生物的演化，必须综合考虑环境、气候和地质等多个因素，这样才有可能使我们真正地理解生命的本质。

刚才我们提到了生物的演化，中生代是爬行动物的时代。与现代相比，如今的爬行动物已经在生物世界中退居次要地位，不再是主角。现代的爬行动物包括蛇、蜥蜴、龟、鳄鱼等，它们的分布范围和属种多样性相较于哺乳动物较为有限。

爬行动物是真正的陆地动物，即使一些鳄鱼和龟类可以在水中生活。在中生代，陆地上出现了巨大而凶猛的霸王龙以及马门溪龙等巨型恐龙，展示出生命的多样性。

恐龙是两足能够站立行走的爬行动物，成功统治了陆地。其能够适应陆地生活的原因是因为爬行动物会产羊膜卵，这使得胚胎和个体的发育过程不受外界水环境的限制，实现了卵的自主孵化。这一特性是爬行动物成为中生代地球主宰的基础和物质基础。

关于龙，在学术上就是指爬行动物。在中文中，我们将其称为“龙”，而中国古代文化中的龙图腾形象更接近爬行动物，与爬行动物学术上的定义相符。因此，从我们的文化中可以看出，古人对于龙的想象更接近爬行动物。有趣的是，我们的祖先创造了关于龙的图腾，并想象龙是生活在海洋中的，与爬行动物重新回到海洋的现象相对应，因此，自然和文化在这方面呈现出紧密的耦合关系。

在关于古生物学的研究中，我也希望未来能更多地将自然和文化结合起来，推动龙文化的发展。

爬行动物和哺乳动物，包括我们人类在内，都是典型的陆地生物。我们之前提到，龙指的就是爬行动物。然而，典型的陆地动物如何适应海洋生活呢？举例来说，现今海洋中的爬行动物包括海龟，而哺乳动物则有海豚和鲸等。无论是龙还是哺乳动物都属于羊膜动物，是典型的陆地生物。虽然人类也憧憬着在蓝色的海洋中畅游，但实际上，如果没有装备，人在水中的逗留时间是非常有限的。

与陆地动物相比，海洋环境对任何陆地动物来说都是相当具有挑战性的。

首先，光线在海洋中逐渐变得暗淡，甚至黑暗，远不如陆地上明亮。这种光线变化会对生物的生活以及情绪产生影响，因为我们通常在明亮的阳光下感到更加愉悦。而在水下，呼吸也面临改变，我们必须适应在水面上呼吸空气。这与海洋中的龙、哺乳动物相同，它们也需要定期返回水面呼吸。声音在水中传播的方式与在空气中有很大不同，这也是需要适应的一个方面。

另外，运动方式也会随着从陆地到海洋的转变而改变。在水中行走和在陆地上行走是完全不同的体验。而在海洋中进食也面临挑战，比如在水中吃东西可能导致呛水的情况。

再者，繁殖也是一个重要的方面，海洋中的生物必须适应不同的繁殖方式，例如海龟在陆地上产卵，孵化后小海龟再回到海洋。举例来说，鱼龙是典型的中生代海洋爬行动物，但是它们已经无法上陆产卵了。鱼龙和蛇颈龙等爬行动物很可能采用更适应水生环境的方式，比如胎生，而非陆地上的卵生方式。虽然这些物种已经灭绝，但通过观察现代的生命现象，我们可以推测它们在海洋中的生活方式可能更适应于胎生。

总的来说，从陆地到海洋的过程对于任何生物都是一次挑战，需要适应各种环境变化。

我们知道，爬行动物在石炭纪时期就已经出现，尽管在古生代有各类鱼和两栖动物以及爬行动物，但主角仍然是海洋中的无脊椎动物。

在地球演化的过程中，特别是在2.52亿年前的二叠纪末期，发生了一场生物大灭绝事件。这场灭绝事件可能是由西伯利亚大火山的爆发引起的。我们需要关注的是，生命演化并非线性的、简单到复杂、低级到高级的这样简单变化，也不会是简单的一个螺旋式上升。在这次大灭绝事件中，大约有95%的海洋生物灭绝了。例如，寒武纪时期繁盛的三叶虫和古生代的四射珊瑚都彻底绝迹。同时，地球环境经历了剧烈变化，包括高温、缺氧以及海水酸化等，这些变化导致了地球生态系统灾难性的崩溃。

这次大灭绝事件是地球历史上最重大的一次，但在这次灾难中，爬行动物成功抵御了极端的高温，迎来了大发展的时期。需要强调的是，灾难和机会同在，某些生物在灾难中获得了发展的机会。在这2.52亿年前的灭绝事件中，爬行动物成功应对了环境的挑战，取得了发展的机遇。

现在，让我们深入了解鱼龙的起源和早期演化。刚才提到的2.52亿年前的大灭绝事件彻底颠覆了古生代的生态系统，导致了95%海洋生命和可能超过70%陆地生物的灭绝，这标志着地球进入了一个新的时代，即中生代。中生代的首个时期是三叠纪，接着是侏罗纪和白垩纪。

从三叠纪开始，生物在大灭绝后经历了复苏。在这个时期，爬行动物迎来了辐射发展时期，有些分支开始向海洋、陆地和空中进化。陆地上出现了恐龙，标志着爬行动物开始向内陆发展。在三叠纪晚期，一些爬行动物演化成了翼龙，向天空进化。在当时地球高温和缺氧等极端环境压力下，其中部分爬行动物向海洋发展，演化出了海生爬行动物。在三叠纪早期，大约在二叠纪末期大灭绝事件后300万-400万年，最早的鱼龙就在海洋中出现了。到了侏罗纪，一些披羽恐龙也长出了翅膀变成了鸟飞上了天空——飞到天空中的爬行动物不止翼龙，还有现在的鸟类。

综上所述，2.52亿年前的大灭绝事件催生了爬行动物的多样性进化路径，包括海洋中的爬行动物、陆地上的恐龙和天空中的翼龙。在这种灾难性的环境变化中，爬行动物成功适应了不同的生态系统。通过化石记录，我们能够窥探这一演化历程，其中鱼龙的出现填补了达尔文关于进化论中鱼龙起源的问题。

让我们深入了解一下海洋中的鱼龙。这张图片展示了我们在中国安徽巢湖地区的古生物化石发掘成果，经过北京大学国际合作研究团队与安徽省地质博物馆的合作，我们在巢湖的马家山地区进行了挖掘，发现了最早期的鱼龙化石。

这种鱼龙的形态值得我们仔细观察，以寻找与陆地动物以及海洋生物的相似之处。这个化石展示了一种处于陆地动物和海洋动物之间的过渡性环节，填补了从陆地爬行动物向完全适应海洋生活的典型鱼龙之间的中间演化链条。观察其嘴巴，我们发现它相对较短，前肢较大，并在肘部呈现夹角，形成一种独特的弯曲。

此外，从统计学的角度来看，我们通常认为陆地脊椎动物的嘴巴较短，而这个化石显示出与此相符，海洋中的脊椎动物相对陆地脊椎动物来说通常具有较长的嘴巴。陆地脊椎动物的背椎，即身体背部的椎体数量，我们发现这个鱼龙的椎体相对较少。与海洋中的脊椎动物相比，其背部椎体数量较为接近陆地动物。因此，我们将这个化石视为一种具有过渡性特征的爬行动物，是典型陆地爬行动物和典型海洋鱼龙之间的过渡环节。

这一标本是在安徽巢湖的马家山地区发掘出来的，其发现引起了世界的关注。我们的研究成果发表在学术界权威期刊上，包括英国《自然》杂志。当时发表时，一些评论提到了达尔文在提出进化论时所面临的挑战，特别是鱼龙的起源问题。这个过渡环节填补了进化历程的一部分，也为达尔文的问题提供了答案。

同时，我们在安徽的巢湖，即距今2.48亿年前的时期，不仅发现了之前提到的较为原始的鱼龙，还有一种特殊的早期鱼龙，我们称之为巢湖龙。令人惊讶的是，这种鱼龙并非卵生，而是胎生，为我们提供了有关早期海生爬行动物胎生方式的最早证据。

这具化石的独特之处在于，它记录了一只雌性鱼龙正在分娩的瞬间，这种情况在全球范围内极为罕见。我们最初发现这块标本时，它被完全封盖在石头中，我们首先注意到的是一条龙鱼。在修龙鱼的时候，偶然发现下面还有这个鱼龙化石。通过仔细修复，我们揭示了一只雌性鱼龙的后半身，与之伴随的是一只小鱼龙已经产出，一只小鱼龙正在产出，而另一只小鱼龙则仍在母亲体内等待分娩。这一发现不仅罕见，更是对古生物学研究的珍贵见证。我们修复并保藏了这一标本，它现在保存于安徽省地质博物馆。

这一发现不仅突显了正在分娩的鱼龙的罕见性，而且解开了关于早期海生爬行动物繁殖方式的谜团，从而进一步证明，初期下海的鱼龙采用的是胎生方式，而非卵生。这也表明，动物在适应海洋生活的演化过程中，可能经历了一种突变而非渐变的趋势。

此外，湖北的南漳和远安地区发现了湖北鳄等大量海洋爬行动物，构成湖北鳄动物群。这些发现表明在那个时期，许多爬行动物开始向海洋演化。我们需要进一步研究为什么这些动物选择向海洋发展。是因为海洋中有更丰富的食物资源，更容易捕获猎物，还是因为海水温度相对空气更为稳定？这些问题需要在未来的研究中逐步揭示。

通过考察早期鱼龙的古地理图，我们发现这些生物在全球范围内都有发现，不仅包括中国的安徽巢湖和湖北南漳、远安，还包括北极圈内、加拿大、意大利和瑞士交界的圣乔治山，以及日本和泰国等地。这引发了我们对这些早期鱼龙和其他海洋爬行动物如何开始进入海洋的疑问，认为可能是沿着盘古大洋的边缘开始的。

随着它们进入海洋，鱼龙的演化速率显著加快。原始鱼龙的特征包括短嘴、较小身躯，在中三叠世时代，如贵州的盘县动物群和云南的罗平生物群中的鱼龙个体变得更大，可达1-3米甚至更长。眼睛变得更大，游泳能力也更强。这一时期，大眼、长嘴、无脖子、鱼鳍状四肢的特征更为突出。

同时，与鱼龙一同存在的还有其他爬行动物，如中三叠世的幻龙，其有着扁的大脑袋、眼眶后的大颞孔、大獠牙。这些幻龙在2.44亿年前的时候是海洋中的凶猛捕食者。相较于它们，鱼龙在游泳速度上更为迅速。这个标本出土于贵州兴义动物群，距今约2.4亿年。在这段时间内，我们见证了鱼龙的巨大化演化。从早期几十厘米长的小型鱼龙，到贵州盘县动物群的混鱼龙，它们可长达一至两米，再到贵州兴义动物群的代表大型贵州鱼龙，其体长能达到五至六米，有的鱼龙可长到甚至十几米，头部长度也可达一米。

这个标本在贵州兴义的国家地质公园博物馆展示，由我们团队亲自发掘。在该标本的腹部，我们甚至发现了一条被捕食的海龙的遗骸，表明这些大型鱼龙已然成为海洋生态系统中的顶级捕食者。

这一发现揭示了鱼龙在演化过程中迅速从小型鱼龙演变成大型海洋霸主的过程。这种巨大的鱼龙不仅能够捕食鱼、头足动物和其他体型较小的海生爬行动物，甚至能够捕食与自身体型相当的海龙。这显示出在中三叠世时，鱼龙已经确立了其地球海洋生态系统的统治地位。这一重要发现使得我们的文章被发表在国际学术期刊上，并在国际学术界引起广泛关注。

在大约2.3亿年前，以贵州关岭生物群为代表的时期，鱼龙的个体长度继续增加，有些甚至可以达到将近二十米。同时，科学家在关岭生物群中还发现了最原始的龟。这表明，爬行动物在适应海洋生活的过程中，不仅能够演化成像鱼的形态，还演化出了类似龟的体型。

中生代的发展呈现出丰富多彩的景象，包括陆地上的各种恐龙、海洋中的鱼龙和蛇颈龙，以及天空中的翼龙和鸟类。然而，到了白垩纪末期，鱼龙、蛇颈龙和恐龙相继灭绝。关于它们为何会灭绝的原因，科学家仍在进行深入研究。有人提出与小行星撞击有关，但这一观点仍需更多研究来证实。

我们要认识到地球生物圈并非封闭系统，受到来自天外的影响。地外事件对地球的影响需要进一步研究。因此，爬行动物演化和退出历史舞台的过程，以及与小行星撞击的可能性关联，都是我们未来研究的方向。

随着三叠纪开始，爬行动物的演化涵盖了海洋、陆地和天空。到了侏罗纪和白垩纪时期，爬行动物统治了地球，包括占据了地球表面积近71%的海洋，成为海洋霸主。然而，到了中生代晚期，爬行动物受到了打击，鱼龙和蛇颈龙相继灭绝，同时陆地上的恐龙也灭绝了。这些是否与那次小行星撞击事件有关，都有待科学家和对科学充满好奇心的小朋友们进一步探索。

白垩纪结束，中生代终结，爬行动物的时代也走到了尽头。随后，我们迎来了哺乳动物的时代，最终演变成了我们智慧的现代人类。然而，尽管恐龙等动物已经灭绝，我们仍需要通过研究化石来了解它们的存在。化石是研究这些生物曾经在地球上存在的唯一实证材料，不仅包括骨骼化石，还包括足迹和其他遗迹。此外，通过测量DNA等方法，我们能够揭示更多基因信息。因此，古生物学的研究不仅涉及生物的形态和分类，还涵盖了对生物行为的研究。

为了进行古生物学研究，我们需要综合运用现代科学知识和技术，包括化学分析、现代生物学、现代生态学，以及各种环境测试和计算机技术。这不仅是简单地寻找和挖掘化石，还包括在实验室里使用显微镜和CT扫描进行分析，以及在野外进行采样。

地质学与古生物学的结合对于确定可能有化石的地方、挖掘化石的方式以及采集化石非常重要。因此，古生物学家必须亲临野外，走访有可能发现化石的山区。例如贵州、安徽和云南等地都是潜在的富含化石的区域。贵州不仅拥有盘县生物群、兴义生物群和关岭生物群，而且还以其喀斯特地貌而著称。野外考察不仅是寻找化石的过程，同时也是欣赏大自然、山水之美的时刻。黄果树大瀑布和马岭河大峡谷紧邻关岭生物群和兴义生物群的产地，提供了更多令人赞叹的自然景观。这也强调了古生物学研究的多样性，涵盖了室内和野外的不同工作环境。

我们谈一下如何进行化石的发掘。当时，我们北京大学在自然资源部、省国土资源厅以及地方国土资源局的支持下，成功获得了国家和省级的地质遗迹保护项目。我们与当地博物馆合作，在贵州兴义的乌沙选择了一个点展开发掘。发掘化石需要精准选址，考虑到喀斯特地形，我们在2007年和2008年选择了一个被称为泥麦古村的点。我们进行了正规而科学的发掘，这被认为是国内规模最大、最规范、最系统的发掘之一，获得了国家和省级支持，同时得到了各级自然资源管理部门的指导。

在2007年和2008年的发掘中，我们选择了泥麦古村，进行了长达6年的系统性挖掘，最终挖掘量达到了4万方的石方。我们发掘的点位于贵州兴义，被认为也是国际上最科学、最规范、最系统的发掘场之一。我们与美国的加利福尼亚大学、菲尔德博物馆，以及意大利的米兰大学等国际学术机构，还有贵州兴义国家地质公园管理处等国内机构合作，形成了一个强大的团队。

在挖掘过程中，我们发现了大鱼龙的位置，是一个“大鼓包”。我们将这个重达40吨的“大鼓包”运到贵州兴义国家地质公园博物馆，博物馆建筑和标本的修理同步进行。整个挖掘过程，包括修理和展陈，都得到了国家和省级的支持。

我们配合地方政府在挖掘现场建立了一个原位保护馆，同时在博物馆进行了化石的修理和展陈。我们所有发掘到的标本都存放在博物馆，而一些未取出的标本则留在原地的保护馆中。在贵州兴义，我们不仅留下了丰富的化石资源，还配合地方政府在当地建立了一座博物馆。希望大家未来能够亲自到大自然中欣赏山水，寻找化石。通过这一过程，我们也期望大家能够培养更宽广的视野。

同时，也欢迎大家来到北京大学学习古生物。北京大学的古生物学专业历史悠久，1909年建立了中国近代科学的最早的两个系，其中就包括了古生物专业。我们强调数学、物理、化学、生物和地质学等多学科的融合，相信在这样的学术环境中，能够更好地理解生命演变历史。我们鼓励学生不仅在国内寻找化石，同时也要到国际上进行比较研究。在这过程中，我们希望能够建立全球化的视野。

鱼龙身上仍然还有一些未解之谜，对于鱼龙祖先的研究科学家们依然在路上，还有很多工作需要做。期待年轻的孩子们好好学习，未来能够跟我们一起去探寻鱼龙的起源。