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可以伏地挺身的「魚」?古生物哪有這麼可愛!——《真實尺寸的古生物圖鑑》

PanSci_96
・2019/07/09 ・3061字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 506 ・六年級

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編按:本文摘選自《真實尺寸的古生物圖鑑》,這是一本想要呈現「真實感」的圖鑑,除了數字外,更直接將不復存在的古生物放進現代風景中。需要注意的是,本書採用的是「代表性的尺寸」,在取景時拿掉水棲、陸棲的各種制約,嚴格來說不能算是「尺寸」資料,充其量只能說是讓讀者簡單輕鬆地「感受」大小。如果想知道更多關於本書的編纂資訊,詳細內容在文末喔。

大如衝浪板的海蠍,卻不太會游泳?

又有一隻「海蠍」類在曬太陽囉!一起來確認一下,最右邊趴在衝浪板上的是奧陶紀的俄亥俄巨型羽翅鱟,中間偏左掛在繩子上的大個兒是同屬於奧陶紀的迪克拉戰艦鱟,在牠的左下方有個新加入的傢伙,就靠在鐵桿上,名叫作基氏混足鱟 (Mixopterus kiaeri)。

混足鱟是典型的海蠍類,有各種形狀的附肢,尤其是最後方的附肢尖端略為扁平,呈船槳狀。後腹部末端有稱為「尾棘」的構造,就像字面所示,尾棘就是尾端有尖棘。而且這個尾棘還可以微微彎出弧度,正是混足鱟的主要特徵。

拜此尾棘所賜,相較於迪克拉戰艦鱟和俄亥俄巨型羽翅鱟,混足鱟更像「蠍子」了。但是這個尾棘不像現代蠍子類那樣附有「毒針」。順便一提,混足鱟被認為是海蠍類中「不太會游泳」的品種。

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曬在沙灘上的個體是最為人所知的尺寸,體長 70cm。但是據說也有大到 1m 左右的個體。說不定還有接近俄亥俄巨型羽翅鱟(體長 1.2m)的個體存在也未可知呢。

可以用鰭來伏地挺身的「魚」?

旭日東昇的沙灘邊,和女孩一起⋯⋯旁邊有個「龐然大物」。前腳(?)往上撐,和女孩一樣呈現伏地挺身的姿勢。

模樣看起來像爬行動物,但仔細一瞧尾部有鰭。這樣說來是隻魚囉?

這隻動物名叫作羅氏提塔利克魚 (Tiktaalik roseae),也是「肉鰭魚類」家族的一員。也就是說,牠確實是一條魚,看起來像前腳的是胸鰭,像後腳的則是腹鰭。

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提塔利克魚與潘氏魚相同,都有如鱷魚一般橫向扁平的身體。胸鰭中有相當於四足動物上臂、前臂、手腕的骨骼,而且骨骼之間有關節,可彈性運動。另外肩膀也有骨骼,有大片的胸肌,這些特徵意味著提塔利克魚可以做伏地挺身!

「紀錄」也寫著,提塔利克魚是史上「可以伏地挺身的魚」。比提塔利克魚原始的魚類,即使魚鰭內有腕骨,卻無法有效活動。而比提塔利克魚更特化的動物,則是終於出現四隻腳了。

左頁圖的提塔利克魚已經「完全登上陸地」,但實際上究竟是否真的如此尚且未知。

頭大嘴巴小,敢情是把迴力鏢?

才想著「今天好熱喔,來泡個冷水澡吧。」一打開浴室門,已經有人捷足先登了。

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大角笠頭螈是頭部宛如迴力鏢的兩棲類。扁平的頭像迴力鏢似的兩側往左右擴張,形成注音符號「ㄑ」的外型。不過頭雖然很大,卻不代表嘴巴也大。笠頭螈的嘴巴位於「ㄑ」字頂端,有個小小的開口。

兩個眼睛的位置很靠近嘴巴,看起來表情相當可愛。雖然說是「兩棲類」,但是與現今的青蛙(無尾類)、蠑螈(有尾類)、蛇(無足類)不同,屬於已滅絕的類別。

笠頭螈最大的特徵,就是上述的頭部,但是並非從小頭就這麼大。小時候不只幅度沒有那麼寬闊,也沒有形成「ㄑ」字形。這種動物隨著成長,頭部會越變越大。

連接著頭部的是寬扁的身體,然後有細小的四肢和長尾巴。這麼小的四肢無法在陸地上行走,因此主要應該是在水中生活。像浴缸之類水流靜止的場所就很適合牠,但即使是在有一定強度的水流中,似乎也能自由移動。

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超萌雙齒獸,犬齒是正字標記

有隻不尋常的動物和拉不拉多犬一起午睡中。仔細一瞧,那隻小動物嘴裡有小小的牙齒。這隻動物的名字叫作巨首雙齒獸 (Diictodon feliceps)。

根據「紀錄」,雙齒獸是在大約 2 億 5700 萬年前,在古生代二疊紀南非地區大為興盛的動物。

在南非的卡魯盆地的地層中,發掘出各式各樣的陸生脊椎動物化石,而雙齒獸個體的化石數量,就占了其中的六成之多。

雙齒獸的特徵在於犬齒,雖然還不像之後時代的劍齒虎那麼長,但是長度有超出嘴巴。另一方面,犬齒後面的牙齒都不發達。

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雙齒獸與伊氏獸都屬於獸孔類。哺乳類也同屬於獸孔類,如果硬要說外型「很像」,也是真的滿像的。

築巢、群居也是雙齒獸的特徵。曾在地底下螺旋狀被挖掘的巢穴化石裡,找到 2 隻雙齒獸。小巧的身軀很適合地底穴居生活。

如果是群居性的話,那和現代的狗狗應該很合得來吧。「一戶一頭雙齒獸」似乎還不賴?


這本圖鑑和你想的不一樣!

這些尺寸各異的生命型態,光用看的就讓人興奮雀躍。尤其是現今已經不存在的古生物,更是有種說不出的浪漫。只要打開圖鑑,多姿多采的物種一定能刺激你的好奇心與求知欲。

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在這麼多的圖鑑裡,最容易被忽略的就是「真實感」。

不論是在單張的圖片,或是還原各種年代各個場景下,通常都不容易判斷出古生物的實際體型究竟有多大。當然,圖鑑內都會標註「體長 1m」「全長 3m」之類的「數字」。但是光只有數字真的有點⋯⋯

於是本書《真實尺寸的古生物圖鑑》因而誕生了。將各個年代的古生物,配置於現代(生活周邊)的風景中,看了必定可以具體感受到「一般圖鑑」裡刊載的古生物,原來「竟然這麼大(或這麼小)!」的「真實感」。

原來古生物竟然這麼大(或這麼小)!圖/pexels

本書收錄的「古生代生物」,涵蓋自前寒武時期末期的「埃迪卡拉紀」,到古生代末期二疊紀的代表性古生物,並且將牠們放置於現代生活場域。包括史上最初的霸者奇蝦、古生代「幕後英雄」三葉蟲、最早期的陸生四足動物魚石螈、大型的巨脈蜻蜓、有巨大背帆的異齒龍等,一般圖鑑常看到的「名人們」,各位可從本書中真實感受到牠們的「實際大小」。

本書的審定群,是曾經協助《古生物黑皮書系列》的群馬縣立自然史博物館人員,作者由衷感謝。而書中最重要的插圖,則是由上村一樹先生繪製各種古生物,再由服部雅人先生將這些「名人」融入現代場景。美術設計由《古生物黑皮書系列》的 WSB inc. 橫山明彥先生負責,文稿編輯則由技術評論社的大倉誠二先生擔任。

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對於本書,我個人最大的期望是,閱覽本書的各位都能在看到古生物融入現代生活時,為那種逼真和震撼而感到興奮,並且樂在其中。

趁此先說明一下,古生物的尺寸是藉由分析化石而來,會根據取材的資訊而有差異。

本書採用了「代表性的尺寸」。事實上生物本身就存在著「個體差異」,嚴格來說不能算是「尺寸」資料,充其量只能說是讓讀者簡單輕鬆的「感受」大小。其中有幾張「現代場景」圖,除了主要的古生物外,也讓其他頁面的古生物作為「比例尺」露面。

各位可以找找哪個古生物就藏在何處,並請一定要比對前後頁面,享受一下互相對照的樂趣。

此外,在現代環境的取景上,已經拿掉水棲、陸棲的各種制約。例如實際上為水棲的古生物,也會放在陸地的場景中,請務必注意!而有關正確的生態資訊,會以「○○○紀海洋」的形式(簡單版)呈現,並搭配有助於了解生態的插圖,請加以參考。

本文摘自《真實尺寸的古生物圖鑑˙古生代篇》,2019 年 6 月,如何出版

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來自恆春的意外「鯨」喜,科博館臺灣鯨魚化石挖掘團隊專訪——《科學月刊》
科學月刊_96
・2023/01/14 ・3975字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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  • 採訪編輯/羅億庭|挖不了化石,就寫一寫化石,本刊編輯。
圖/科學月刊

Take Home Message

  • 去年5月,科博館地質學組的助理研究員楊子睿與團隊,在恆春的頭溝河谷中發現了一具臺灣目前保存得最完整的大型鯨魚化石。
  • 根據鯨魚的下頜骨化石,團隊推估牠的真實大小約有18公尺長,生存在約10萬年前;從肩胛骨推論牠可能是一隻小的藍鯨,或是青少年時期的大翅鯨。
  • 團隊中不少人都是第一次參與大型古生物化石開挖,過程中除了需要克服地獄般的天氣,還面臨了瘋狂進攻的蚊子、暴雨淹水等考驗,但也每天都有不同驚喜。
圖/科學月刊

當生物的生命消逝後,牠的遺體、生存痕跡便有可能留存於土地上,經過沉積物的堆積、掩埋與化石化作用(fossilization)成岩後變為化石。化石記載著這片土地曾經的過往,而透過化石也可以使我們對曾經生活於當地的古生物有更多了解。

在地球整整 46 億年的歷史中,臺灣算是很新的一座小島,出現於大約 600 萬年前。但即使是相對於地球歷史來說十分年輕的臺灣,島上的化石依舊不少。也因為臺灣的地形、地質環境特殊,在不同的地層中都分布著許多珍貴的化石,舉凡貝類、海膽、珊瑚、脊椎動物、有孔蟲(Foraminifera)等,都曾有過發現的紀錄。

出土自臺灣的脊椎動物化石中,最有名的大概是 1970 年代在臺南左鎮菜寮溪發現的早坂島犀(Nesorhinus hayasakai);近 20 年來漁民更在澎湖海溝打撈到不少古菱齒象(Palaeoloxodon)化石。

大象是陸地上最大的哺乳類動物,而海洋中最大的哺乳類動物則非鯨魚莫屬;在臺灣這座島嶼上,曾發現過鯨魚化石嗎?

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圖/科學月刊
圖/科學月刊

為期四個月地獄般的挖掘

去(2022)年 5 月,由國立自然科學博物館(簡稱科博館)地質學組助理研究員楊子睿帶領的團隊,在恆春地頭溝河谷中發現了一具保存得極為完整的大型鯨魚化石。在歷經「地獄般」的三個多月後,終於成功將整具化石從地層中挖掘出來。

《科學月刊》這次也特別訪問了楊子睿與幾位這次參與化石挖掘的團隊成員們,聊一聊本次挖掘的過程及當中的辛酸血淚。

最初為什麼知道恆春當地有這具鯨魚化石,並開始挖掘呢?

「這一開始其實都是無心插柳柳成蔭。」

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楊子睿回憶,去年 5 月恰好有一位德國學者來訪臺灣,因此楊子睿帶著他走訪臺灣較知名的幾個化石產地,如臺灣南部的左鎮、恆春等地,採集基本的貝類化石。

在恆春挖掘化石的途中,有一名團隊成員發現地層裡有塊看起來像是鯨魚肋骨的石頭,但大家卻都把它當成地面在踩。後續挖掘時發現這塊一直被當作地面的石頭確實就是鯨魚肋骨,且光是該處就有多達四根,而這條鯨魚肋骨也為本次挖掘揭開了序幕。

前面也提過,這次挖掘的過程如同「地獄」,原因在於挖掘化石的恆春當地幾乎都是崎嶇不平的石灰岩層,若不慎跌倒可是會破皮流血。

圖/科學月刊

除了地形之外,天氣也是造就地獄的其中一個因素。雖然現在時序已進入秋冬,但還記得每年 5~9 月那彷彿想將人就地燒死的艷陽嗎?「整天的氣溫都超過 34℃,河谷中的濕度也幾乎是 100%,即使想流汗也流不出來,」楊子睿說著當時在恆春低海拔森林挖掘的過程,「還會有一大群蚊子瘋狂進攻,防蚊液都要噴好噴滿、像一層膜一樣!」

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即使過程中經歷了千辛萬苦,團隊仍成功的將這具鯨魚化石挖掘出來,呈現在眾人眼前。

解密臺灣古鯨魚的形態密碼

看見這隻鯨魚巨大的下頜骨,也讓人不禁好奇臺灣以前也曾找到過鯨魚化石嗎?這次的挖掘成果跟先前相比又有什麼不同?

楊子睿解釋,由於臺灣島的地層在形成的過程中容納了不同階段的海岸環境,因此有許多鯨豚在此擱淺後被保留在地層中,形成了化石。過往其實有不少鯨魚化石出土的紀錄,例如在大甲溪曾出現過鯨魚肋骨化石、屏東四溝、臺南左鎮也都有過鯨魚化石出土的記載。

不過先前挖掘到的化石大多只是鯨魚的其中一條肋骨、脊椎骨等,「這是臺灣到目前為止,第一次保存得最完整的鯨魚化石。」楊子睿說。

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而且不僅是鯨魚,它也是目前出土最大、最完整的脊椎動物,至於這隻鯨魚之所以能夠用近乎原始的狀態被保留下來,顯示了牠在死後沒多久就迅速被掩埋。楊子睿進一步解釋,臺灣南部的造山速度相當快,當造山時抬升得愈高、雨水就會愈快將泥沙沖出,沖出泥沙後就會以愈快的沉積速率將鯨魚掩埋起來,讓牠形成一具相對完整的化石。

根據其中一根長約 223 公分的鯨魚下頜骨化石,團隊推估這隻鯨魚的真實大小約有 18 公尺長。此外,自由研究者莊智凱分析了地層中的鈣質超微化石(calcareous nannofossil),推測這隻古鯨魚應該生存在約 8 萬 5000 年前的潟湖環境。

由於人類過去幾千、幾百年來的開墾活動,在全新世(Holocene)和更新世(Pleistocene)較新地層附近的化石大部分已被毀滅,所剩無幾。「包含日本、美國發現的近代鯨魚化石都只是碎塊或是其中一部分,從來沒有過這種一整隻被我們挖出來的。」楊子睿說道。

現生已知體型最大的哺乳動物是海洋中的藍鯨(Balaenoptera musculus),最長的體長紀錄是 29.9 公尺。

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目前我們有辦法辨認出這具化石可能是哪一種鯨魚嗎?楊子睿分享道,要鑑識出一隻鯨魚是哪個物種,最重要的關鍵是透過牠的「耳骨」,但這隻鯨魚化石在找到時耳骨早已風化消失,因此只能靠替代方案——肩胛骨,鑑定這具化石的物種。

目前推論這隻古鯨魚有可能是一隻小的藍鯨,或是青少年時期的大翅鯨(Megaptera novaeangliae)。

圖/科學月刊

挖掘過程中的驚喜與驚嚇

這次在臺灣挖掘出鯨魚化石的成果令人驚喜,但是除了前面提過「地獄般的環境」之外,其實挖掘過程中還有相當多不為人知的辛苦。

目前就讀臺灣師範大學地球科學系的團隊成員官鑫伯也分享,他們在挖掘的某幾天就因為當地突然下起了大雨,當下必須先有一部分人將旁邊因挖掘而產生的土堆推開,清出一條河道以避免水淹上來,甚至還利用旁邊現成的木塊做成臨時的河堤阻擋大水。

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在某次挖完化石隔天回到挖掘現場時,還看到原先挖掘的地方淹了水,「那時候我超緊張!因為化石好像不要泡到水比較好。」官鑫伯笑著說,而他也只能盡快用桶子與湯匙將水撈出,以防止化石泡在水中而有所損害。

研究助理吳筱柔進一步分享,淹水的那幾天水真的來得又急又快,「團隊成員只能貼著邊邊儘速撤退,想辦法逃出去。」「我那時候壓力真的很大,因為很怕有人會出事,這樣我就會上報紙而不是上《科學月刊》了。」想起當時的情況,楊子睿也心有餘悸的說道。

談到這次的挖掘過程,其實團隊中不少人都是第一次參與這類大型古生物化石的開挖。

吳筱柔便分享當初開挖時完全看不出自己在挖的是什麼東西,有點像是尋寶的概念,她也說:「每天都有不同的驚喜,因為愈挖就會愈覺得它和自己原先的猜測不太一樣!」。

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而來自文化大學生命科學系的連士賢平時則是比較常接觸現生鯨豚,所以對鯨豚的骨骼位置分布相當熟悉——但在挖掘鯨魚化石時卻完全無法用平常的解剖思維去思考。「骨骼會在土中的哪個位置?會不會因為時間與地質壓力的作用而改變形狀?」連士賢講述著種種需要考慮的事項,這些挖掘、保存、保護等處理化石的方式,都是需要在現場慢慢學習的。

成功大學地球科學系的李岱安則認為,整個鯨魚化石挖掘的過程都令她相當印象深刻,因為過往從來沒有看過這麼大的古生物化石出現在眼前。從數十天的挖掘到親眼所見鯨魚骨頭,再將化石成功運出,這一切對她來說都相當震撼。

有待揭曉的鯨魚生態故事

目前團隊已經針對這具鯨魚化石做了初步的研究,得知牠可能的物種、生存的年代,那麼未來還有哪些研究規劃呢?楊子睿說明,目前團隊想知道的是為什麼在恆春地區會有這麼多鯨魚被埋在這裡?牠們被埋在此處的原因又是什麼?對當時的整個古環境、生態系來說有什麼樣的意義?

「這一切完整的生態故事,都需要進一步討論與了解後才能將它補齊。」楊子睿表示。

這具鯨魚化石現在已經全數被運送回科博館中等待後續的清修,而清修也是一項十分浩大的工程。目前都還在將一些較大型的化石,如肩胛骨上的石膏拆卸下來,其他比較小塊的碎骨頭就必須花時間、人力慢慢進行清修。

圖/科學月刊
圖/科學月刊
圖/科學月刊

楊子睿更與我們分享,當初來訪臺灣、曾參與過前期挖掘的德國學者表示德國慕尼黑的「人與自然博物館」(Museum of Man and Nature)對這具鯨魚化石相當有興趣,希望能出借展示。

未來挖掘團隊也期望能透過與其他單位的合作,將這隻鯨魚化石完整的展示在國際與臺灣民眾眼前。

  • 〈本文選自《科學月刊》2023 年 1 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。
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科學月刊_96
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怎麼證明澳洲人吃剩的蛋殼,來自 5 萬年史前巨鳥?
寒波_96
・2022/09/14 ・2882字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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古代人對生態環境的影響,不容易回答。人類抵達澳洲的年代早於 5 萬年,在此之後,澳洲有一批大型動物滅團,但是與人類的關係多少,專家們各有主張。有時候,甚至連人類是否接觸過某種動物都無法肯定。

一項 2022 年發表的研究,證實一款滅絕的史前大鳥確實與人類發生關係,而且材料相當特別:蛋殼中的古代蛋白質。[參考資料 1, 2, 3]

澳洲南部 5 萬年前的牛頓巨鳥與古巨蜥(Megalania)想像圖,兩者皆已滅絕。圖/Peter Trusler

澳洲 5 萬年前鳥蛋殼,是塚雉還是巨鳥?

用於分析的材料是澳洲南部出土的一批蛋殼,有被煮食的痕跡;它們距今大概 5 萬年左右,可以推測是古代人的食物。蛋殼來自哪種鳥呢?

活跳跳的鳥類可以根據外貌識別,去世後只剩骨頭的鳥類,也能靠著型態差異分辨。而鳥類產下的蛋,不同鳥蛋的外觀有別,厚度等特徵也有所不同,有時候光是憑藉蛋殼,便能判斷物種。

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有專家主張這批古代人吃剩的蛋殼來自牛頓巨鳥(Genyornis newtoni),這是一款不會飛的大鳥,身高超過 2 公尺,體重 220 到 240 公斤,一顆蛋有 1.5 公斤重。

牛頓巨鳥在人類抵達澳洲後就消失了,但是沒什麼人類獵捕的骨頭證據。倘若蛋殼真的產自巨鳥,可以推論這款鳥類的消失與人有關。然而,也有專家認為這批蛋殼來自塚雉(megapode)。塚雉體型比牛頓巨鳥小很多,只有 5 到 7 公斤重。

澳洲南部尋獲史前鳥蛋殼的遺址位置。圖/參考資料 1

由史前蛋殼中的蛋白質,判斷未知鳥類的演化位置

5 萬年前成為人類大餐的鳥蛋,究竟何許鳥也?這項研究搜集多種鳥類的蛋殼型態作比較,也寄希望於遺傳學。蛋殼的成分主要由碳酸鈣等礦物質構成,不過其中也有少量 DNA、蛋白質;可惜出土蛋殼中無法取得足夠的古代 DNA。

生物去世後,遺傳物質開始崩解,蛋白質的結構比 DNA 更穩固,生還機率更高。好消息是,蛋殼中仍保有一些蛋白質片段,而且足以判斷親戚關係。

組成蛋白質的氨基酸序列取決於 DNA 編碼,只要知道基因的 DNA 序列,便能得知蛋白質的序列。定序 DNA 比蛋白質容易太多,絕大部分時候假如不知道 DNA 序列,便不會知道蛋白質。

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但是聰明的讀者馬上會想到,我們知道牛頓巨鳥的基因組嗎?假如不知道,即使獲得蛋殼中的蛋白質片段,又該如何比對呢?

儘管缺乏牛頓巨鳥的基因組,好消息是,隨著基因體學發達,已經有大量鳥類物種的定序資訊,像是 Bird 10000 Genomes(B10K)計畫。所以可以根據各種鳥類的蛋白質序列差異,畫出演化樹,再將蛋殼中取得的蛋白質置於其中一起比較,便能判斷未知鳥類的分類位置。

加入蛋殼鳥後,各種鳥類以蛋白質差異建構的演化樹。鴕鳥(Struthio camelus)、鴯鶓(Dromaius novaehollandiae)屬於古顎類(Palaeognathae),和蛋殼鳥分屬不同群。蛋殼鳥(undetermined ootaxon)被歸類為雞雁小綱(Galloanseres)旗下,很早分家的分枝;塚雉(Alectura lathami)屬於雞形目(Galliformes),演化位置和蛋殼鳥差異不少。圖/參考資料 1

大鳥家族史:牛頓巨鳥、鴕鳥、恐鳥為各自獨立巨大化

依照可供分析的氨基酸變異,蛋殼鳥被歸類到雞雁小綱(Galloanseres)中很早分家的演化位置;而塚雉屬於雞形目(Galliformes,旗下有雞、火雞、珠雞、孔雀等一大堆鳥類),分家的時間要更晚得多。

藉由蛋殼殘存的遺傳訊息,無法判斷它是誰的最近親,不過肯定絕對不會是塚雉及其近親。因此論文判斷,蛋殼應該為牛頓巨鳥的蛋蛋。

倘若真的是牛頓巨鳥,或者說是 Genyornis 屬旗下的鳥類,這項分析也有助於釐清它的分類位置。說起不會飛的大鳥,大家都會想到鴕鳥、澳洲的鴯鶓(emu),還有紐西蘭已經滅團的恐鳥(moa);它們全部都屬於古顎類(Palaeognathae),和牛頓巨鳥所屬的雞雁小綱是平行關系。

澳洲的牛頓巨鳥及其近親們,目前被歸類為 Dromornithidae,屬於雞雁小綱旗下已經滅團的一支。所以大鳥與大鳥之間其實不是太近的親戚,是各自獨立巨大化的。

人類與 Genyornis 屬鳥類的體型比較。圖/prehistoric wildlife

竊蛋人對巨鳥滅團有責任

不少恐龍愛好者聽過,當年出土竊蛋龍與恐龍蛋化石時,還以為它們是盜獵其他恐龍的蛋,所以取名為竊蛋龍。後來才發現是誤會,它們懷抱的其實自己的蛋,可惜汙名已定,無法改名。人類盜獵大鳥的蛋無庸置疑,同理可稱之為「竊蛋人」。

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鳥類靠生蛋繁衍後代,對其他動物而言卻是營養豐富的食物,人類只要有機會當然也不會放過。史前人類除了吃鳥蛋,也會將蛋殼加工製成工具與裝飾品;鴕鳥蛋殼的大量利用,甚至還能用來探討長達數萬年的非洲文化演化。

這回新研究以新奇的分析手法證實,5 萬年前的澳洲人會採集牛頓巨鳥的巨蛋來吃。由此推測,這款澳洲大鳥的滅絕,竊蛋人多半脫不了關係。

最後值得一提,由古早樣本取得非特定古代蛋白質(例如膠原蛋白、AMELY 以外的其他蛋白質)的分析辦法,繼古代 DNA 之後也成為古生物學、古人類學的新利器。澳洲的巨鳥蛋殼以外,雲南的步氏巨猿、西班牙的前人、青藏高原東側,甘肅的夏河丹尼索瓦人等材料,其中殘存的蛋白質片段都帶來寶貴的演化線索。

延伸閱讀

參考資料

  1. Demarchi, B., Stiller, J., Grealy, A., Mackie, M., Deng, Y., Gilbert, T., … & Miller, G. (2022). Ancient proteins resolve controversy over the identity of Genyornis eggshell. Proceedings of the National Academy of Sciences, e2109326119.
  2. The first Australians ate giant eggs of huge flightless birds, ancient proteins confirm
  3. Egg-eating humans helped drive Australia’s ‘thunder bird’ to extinction

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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解開古代魚類耳朵裡的「石頭」秘密!專訪古生物學家林千翔
研之有物│中央研究院_96
・2022/04/09 ・5054字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文/寒波
  • 美術設計/林洵安、蔡宛潔

魚耳石與古生物研究

魚耳石是硬骨魚類耳朵裡的碳酸鈣結晶,可以由新鮮生魚取樣,也能從地層發掘化石。中央研究院「研之有物」專訪院內生物多樣性研究中心的林千翔助研究員,他是臺灣少有的古生物學家,就讀博士之前就已經記錄超過 1,000 種現生魚類耳石,並持續投入魚耳石化石研究。解析魚耳石化石可以得到什麼資訊呢?從魚耳石形態可以判定魚的物種、體型和群聚構造等,還可以分析累積在耳石的同位素看到魚類的生命史。

從比較解剖學到魚耳石研究

中研院生物多樣性研究中心的林千翔助研究員,在成功大學生命科學系就讀時,察覺自己不喜歡生醫、細胞、神經、生理等領域,因此準備考研究所時他決定選考「比較解剖學」,而全臺灣只有一間研究所考這科:臺灣大學動物學研究所。

林千翔進入臺大動物所後,拜師陶錫珍教授,成為罕有的陶門弟子。如今已經退休的陶錫珍教授,在臺灣大學教授脊椎動物解剖學超過 40 年,是臺灣少有的古生物學家。陶錫珍教授的招牌研究是魚類化石,而林千翔對魚類的耳石(otolith)化石特別感興趣。

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從 19 世紀末開始,便有學者研究魚類耳石化石,林千翔最早是在大學時,從地球科學系的課程接觸到魚耳石。臺灣有幾位擅長魚耳石的研究人員,都是臺灣大學漁業科學研究所曾萬年教授的弟子,他們都專注於現今魚類,林千翔的目光則望向古代魚類。

在林千翔前往義大利的巴里大學(Università degli Studi di Bari Aldo Moro)就讀博士以前,和國立海洋生物博物館的張至維教授,一起發表過《臺灣魚類耳石圖鑑》(Otolith Atlas of Taiwan Fishes),記錄超過 1,000 種現生魚類耳石, 已經算是小有所成的研究者。但是他仍然選擇出國深造,投入魚耳石化石的領域。

在深入探討地中海與東北大西洋一帶的魚耳石化石,並升級知識過後,林千翔可謂此一領域最新世代的專家,他總算可以回答之前無法解決的疑惑,也發現還有好多新的題材等待探索!

魚耳石是什麼,有什麼用?人也有耳石嗎?

魚耳石是硬骨魚類耳朵裡的「石頭」,在此當然不是指真正的石頭,魚耳石的主要成分是碳酸鈣,可以由新鮮活魚取樣,也能從地層發掘化石。一條魚頭部的內耳兩側通常各有 3 顆耳石:矢狀石、星狀石、礫石。最常用於分析,體積最大的是矢狀石。

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魚類從小魚苗逐漸成長時,耳石也漸漸一起長大;耳石和聽覺神經相連,是魚類的聽覺零件;演化歷程及生活環境有別的魚類,受到不同功能需求影響,會衍生出不同的耳石形態 。

林千翔實驗室人員展示取出魚耳石的過程,魚耳石是硬骨魚類耳朵裡的「石頭」,主要成份為碳酸鈣。圖/研之有物

魚耳石形態主要和物種有關,根據不同魚類的耳石形態特徵,可以鑑定是什麼物種;而且血緣關係愈近的魚,彼此間的耳石形態往往愈相似,比較耳石的差異,也能判斷魚類間的親疏遠近、演化關係。

林千翔表示,以魚耳石形態鑑定物種,概念類似哺乳動物的牙齒,就像哺乳類分類專家可以根據牙齒形態,判斷貓、金錢豹、馬、狼、羊、河馬、人等動物。

不是魚類的動物也有耳石嗎?其實人類等陸生動物的耳朵內仍然有耳石,但是作用不是聽覺。人類聽覺的功能,改由磷酸鈣形成的耳骨負責。陸生動物的耳石體積很小,主要作用是保持身體的平衡,例如人的耳石小小一顆,萬一移位可是會感到天旋地轉的!

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林千翔實驗室的魚耳石化石,放置在標本架內。其中,黑姑魚和黃姑魚的耳石特別大。圖/研之有物

魚愈抓愈小?用耳石重現族群組成

魚耳石可以用於鑑定物種,但是這只是最基本的用途。分類固然重要,林千翔強調,人為認定的分類體系不斷變化,反映我們對生物認知的改變;持續累積的新知識、新觀念將改變舊的框架,那才是更有意義的知識進步。

魚的耳石隨身體一起長大,因此兩者的體積呈正相關:耳石愈大,魚體也愈大。同一種魚類,搜集許多個體的耳石,便能評估該族群的體型組成。

追蹤不同時期的族群組成,能掌握該魚類的演變;倘若和幾年前相比,魚類體型普遍變小,便能懷疑棲地是否遭到破壞,或是發生「過漁」──過度捕撈。林千翔實驗室的人馬會定期去大溪漁港等地,從下雜魚獲知不少訊息。

不過林千翔提到,耳石大小儘管和體型相關,生長速度則不一定。一種魚即使最後耳石一樣大,也可能生長比較慢或比較快,也就是晚熟或早熟;缺乏其他資訊下,光靠耳石形態不見得能分辨成長史,必須要切片研磨讀取其年齡資訊。

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「石首魚科」(Sciaenidae)是林千翔深入研究的一群,可食用的大黃魚、小黃魚都屬於這群;兩者受人類大量捕撈影響很大,中國沿海也有不少魚塭養殖。大黃魚、小黃魚是不同的魚,大黃魚即使體型縮水,還是大黃魚。林千翔便由耳石觀察到,在過度捕撈和人為飼養下,出現「小隻的大黃魚」,牠們現今的族群年齡結構也與古代有所不同。

左邊是被當成中藥材販售的魚耳石,為一般大小;右邊標本盒內是林千翔實驗室最大的魚耳石,屬於石首魚科,可推估這隻魚體型一定相當大!圖/研之有物

珊瑚礁旁有哪些魚?穿越數千年古今比較

耳石能判斷魚的不同種類,可由一批取樣辨識其中有多少物種、各種魚的相對比例(豐度)為何,也就是「群聚構造」(community structure)。自然或人為引起的環境變化、過度捕撈,讓某些魚變少,其他魚比例增加,都可能影響群聚構造。

林千翔在博士後研究時,前往加勒比海研究魚耳石,比較古代和現代的群聚差異。古代魚耳石的保存與尋找,也是一門大學問。

魚類死亡後,耳石、牙齒、骨頭、鱗片等構造,都有機會變成化石留存,而不同構造的化學成分不同,各有適宜的保存環境。耳石的成分是碳酸鈣,和同屬碳酸鈣的貝殼、有孔蟲比較容易一起保存;但是磷酸鈣構成的魚骨、方解石形成的扇貝,與耳石適合的埋藏條件不同,不容易在地層中一同見到。

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林千翔的博士後題目是研究加勒比海地區,珊瑚礁魚類的組成與改變。珊瑚礁周圍一向有豐富的魚類生活,它們死亡後想必會留下不少耳石,但是從珊瑚礁石灰岩中取出裡頭的耳石,技術上有困難。幸運的是,多明尼加一處 7,000 年前的古代的潟湖與海阻隔後,其尚未形成石灰岩的礁體,貢獻不少耳石及不同海洋生物遺骸樣本。

比較後意外發現,現代魚群的多樣性比古代更大。推論是由於周圍環境改變,有些和珊瑚礁關係不大的魚類也移入附近,而不是珊瑚礁魚群原本就這麼多元。由此看來,礁體也可以作為魚耳石的取材來源,研究附近的魚類群聚構造。

地層、考古遺址與鮪魚肚——認識不同時空的群聚構造

假如往更久遠的年代探尋耳石,便有機會得知更遠古的魚類狀態,甚至見到同一類魚,在不同年代的演化改變。

林千翔分析過更新世早期嘉義牛埔地區的魚耳石化石(距今 122 到 195 萬年前),以及中新世晚期臺灣北部的魚耳石化石(距今 500 到 800 多萬年前)。最近又取得一批海洋岩芯樣本,可以調查距今 46 萬年來,西太平洋的魚類多樣性與豐度。

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然而林千翔提醒,魚耳石雖然好用,也只能重現古代魚群一部分的資訊。有些環境條件根本不會有耳石留存,某些魚類的耳石也不易留下(例如河豚所屬的魨形目,耳石很小),還是要搭配牙齒、骨頭、鱗片等材料,加上其他方面的資訊,才能更完整地認識古代魚群,以及它們所屬的生態系。

林千翔提醒,魚耳石雖然好用,也只能重現古代魚群一部分的資訊,還是要搭配牙齒、骨頭、鱗片等材料,才能更完整地認識古代魚群,以及它們所屬的生態系。圖/研之有物

與人為活動相關的考古遺址,也可能保留魚耳石。臺灣的南科考古遺址群,從近五千年前的南關里東、南關里遺址開始,延續數千年之久;分析遺址中出土的魚耳石,可以推敲古人的資源利用,以及當時的生態環境。出土年代較早的魚耳石非常多,後來卻明顯變少;這是利用資源的方式改變,或是過度捕撈所致嗎?林千翔團隊分析後發現,和過漁沒有關係,主要是因為海岸線地貌變化導致利用資源方式改變。

另一項研究由印度洋的大目鮪肚子裡取材,分析鮪魚肚中的耳石,研究大目鮪吃的小魚組成。光憑遺傳學分析方法「DNA 條形碼 」(DNA barcoding)也能得知食用魚的種類,不過林千翔表示,唯有耳石才能釐清鮪魚吃進小魚的體型,並藉此得知個頭較大的鮪魚,吃下的食物魚也比較大。

從大目鮪魚的肚子中回收的魚耳石,比例尺為 1mm。圖/Frontiers in Marine Science

成分分析:深入回顧一條魚的生命史

除了形態方面的資訊,耳石隨著魚一同成長到死亡,也紀錄著一條魚的生命歷史。

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魚的耳石是逐漸形成,並且包含當時進入魚體的微量元素。比較耳石先後形成的部分,各種成分的變化,可以認識這條魚在不同時期,周遭的生活環境。像是在魚耳石中偵測到重金屬,意謂那時水中有重金屬汙染。

穩定同位素(stable isotope)意指半衰期非常長,可視為不衰變而持續存在的同位素。各種穩定同位素,進入魚體後留存於耳石之中,反映當時的狀態。例如分析氧 18、氧 16 穩定同位素的比例,能估計當時的水溫高低;而交叉比對碳、氧、硼等不同元素的穩定同位素,可以獲知鹽度、酸鹼值等環境訊息。

耳石除了碳酸鈣之外,也有極低比例的蛋白質。蛋白質中的碳、氮皆源於食物,所以碳、氮的穩定同位素可以記錄魚的攝食來源。大魚吃小魚、小魚吃蝦、蝦吃藻類……這稱作「營養階層」(trophic level),穩定同位素氮(d15N,以下稱氮 15)會隨著營養階層增加而累積,假如主要吃肉類,氮 15 的相對比例會比只吃植物、藻類更高。

分析氮 15 能評估該魚的攝食來源(或是對象)落在哪個營養階層。有些魚幼小階段和成魚階段的攝食對象不同,可以由氮 15 的差異看出變化。

理想狀況下,綜合耳石內多種元素的穩定同位素,有機會認識一條魚在生命不同階段,飲食成分、水溫、住在淡水或海水、鹽度、酸鹼值、周遭是否有汙染等訊息。

海洋中的營養階層示意圖,階層愈高,氮 15 會隨著營養階層增加而累積。圖/研之有物

重現古代海洋的聲音,期待更多研究新秀加入!

除了上述研究之外,林千翔最有野心的想法或許是「重現古代海洋的聲音」。耳石是魚的聽覺構造,形態反映魚的聽力。聲音稍縱即逝,不會留下任何記錄,可是假如能找到耳石形態和聲音的關聯,或許就有機會根據古代魚類耳石的形態,回推當時它所能聽到的聲音。本題材潛力很高,目前仍在初步階段。

臺灣有很多人對化石收藏、研究有熱忱,林千翔在訪談中提到,他歡迎對魚類及海洋生物有好奇心的學生,加入他主持的海洋古生物實驗室,目前有一系列與海洋生物化石相關的研究正在進行著,特別是針對臺灣及西太平洋地區的材料。研究者只要認真投入,都有機會從中實現自我。

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook