古生物的便便不要扔 可以建食譜、挖磷礦……

說起化石,很多人第一時間會想到恐龍骨骼化石,因為足夠震撼。而「重口味」的我,決定和你們聊聊古生物的排泄物——糞便化石,以及如何製作屬於自己的糞化石。如果你是一個恐龍迷,想必不會對威廉·巴克蘭(William Buckland)感到陌生,因為他描述和命名了第一隻恐龍,是最早研究恐龍的科學家之一。但是,你未必知曉巴克蘭的另一重要身份——「初代糞便化石獵人」。

誰邂逅了第一坨糞便化石?

1821年,巴克蘭在調查英格蘭北約克郡的一個史前鬣狗洞穴時,發現遍地的鬣狗骨骼和牙齒化石之間,還散落着一些白色小球,懷疑是鬣狗的糞便化石。

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鬣狗糞便化石,發現於英格蘭北約克郡的洞穴,保存在牛津大學博物館。

圖片來源:參考文獻[1]

為了證實這個猜想,巴克蘭跑去動物園里觀察非洲斑點鬣狗的糞便。由於現代鬣狗十分喜歡食用其它動物的骨骼,攝入過多的鈣和磷,導致糞便呈現白色,恰好洞穴中的白色小球主要化學成分也是磷酸鈣。於是,巴克蘭發表論文並獲得皇家學會科普利獎章,科學地邂逅了第一坨糞便化石。

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現代斑點鬣狗的白色糞便。

圖片來源:參考文獻[2]

從史前鬣狗洞出來後,巴克蘭又把目光投向海濱小鎮萊姆里吉斯。

這兒的海岸線埋藏着大量侏羅紀時期的海洋生物化石,著名的化石收藏家瑪麗·安寧在此發現了第一具完整的魚龍和蛇頸龍化石,並注意到它們的腹腔保存有許多深灰色的小石頭,石頭里偶爾還會夾雜着骨頭和魚鱗。

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英國的萊姆里吉斯海岸,如今這里每年還會舉辦化石節。

圖片來源:wikipedia

盡管小石頭被當地人稱之為「牛黃石」,並在16世紀曾被廣泛用作解毒劑,但在瑪麗·安寧的研究基礎上,巴克蘭認為魚龍腹部的小石頭其實都是糞便,不久後他創立了一個詞「Coprolite」(糞化石),將所有遠古糞便納入其中。

從此,糞化石的研究領域大門正式開啟。

糞化石的形狀千奇百怪,因為在這個世界上,沒有誰能夠拉出完全相同的兩坨糞便。而且正常的糞便都比較柔軟、易碎,在埋藏過程中會再次發生變形,甚至遭到食糞動物的破壞和風吹雨打的洗禮,從而出現球形、卵形、錐形、雪茄形、不規則形等等。其中,最令巴克蘭着迷的莫過於螺旋狀糞化石。

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(A)威廉·巴克蘭;(B)他於1835年的繪畫,可見螺旋狀糞化石;(C)他收集的糞化石。

圖片來源:參考文獻[3]

關於螺旋狀糞化石的成因,巴克蘭認為是食物殘渣會經過一段螺旋形的腸道,漸漸形成帶有螺旋紋的糞便,並以這一形態排泄出體外,最終被埋藏形成化石。

這一觀點並非異想天開,因為現生鯊魚、肺魚、銀鮫、鱘類的腸道就有這樣的結構:回腸內的粘膜層排列成螺旋瓣,就像一個螺旋樓梯。當食物興沖沖來到螺旋瓣後,一圈又一圈的結構不僅可以延緩食物的移動速度,還能增加腸道內的消化面積,讓魚兒們更充分地吸收營養。

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鯊魚腸道內的螺旋瓣。

圖片來源:圖源wikipedia

樂於動手的巴克蘭哪能放過這些活生生的例子,他直接往鯊魚的腸道內注射一種能夠快速凝固的水泥,最終成功復制出水泥版的螺旋糞便。在搗鼓糞化石研究的同時,巴克蘭還給自己定製了一張「糞化石桌」,桌面嵌滿經過拋光打磨的魚糞化石,用來招待晚宴肯定別有一番風味。

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糞化石桌,如今收藏於萊姆雷吉斯的博物館

圖片來源:Lyme Regis Museum

糞化石有什麼用?

一塊動物骨骼化石,能讓我們真真切切地感受遠古生命的不可思議,這是一坨糞化石無法比擬的,那為何巴克蘭沉迷於其中?

因為糞化石能夠提供「另類」的古生物信息呀。

以螺旋狀糞化石為例,它可以直接反映排泄者的消化道內部結構,表明古代魚類的腸道也有螺旋瓣,有利於吸收營養物質;也能作為魚類分類的依據,因為糞化石表面的螺旋紋與腸道內螺旋瓣的數量、疏密程度有關,比如現代鯊魚腸道的螺旋瓣很密集,肺魚次之,軟骨硬鱗魚類則很稀疏;還能反映排泄者的體型上限,比如螺旋紋數量<5圈的糞化石,排泄者體長上限為1~2米。

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不同魚類的螺旋瓣形態,有的密集,有的稀疏。

圖片來源:參考文獻[4]

就像你吃了金針菇一樣,糞化石也含有未被消化的食物殘渣,如骨骼、牙齒、鱗片、植物以及微生物等等,這些都能夠反映古生物的獵物選擇行為、食物偏好以及消化方式等相關生理學。簡單來說,就是重建古生物的食譜。

巴克蘭在萊姆里吉斯海岸收集的魚龍糞化石,除了包含魚鱗、魚骨以及小型魚龍骨骼外,還有一些烏漆麻黑的糞化石。後來經過分析,糞化石中的黑色色素和魷魚等軟體動物的墨汁具有相同的化學成分,從而知道魚龍的食譜里還有魷魚。這是否讓你想起了紅心火龍果的「折磨」?

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魚龍吃魷魚復原圖,基於1.99億年前的魚龍的胃內容物所畫。

圖片來源:Julian Kiely

當擁有足夠多的糞化石時,還可以重建古生態系統的食物網。

這幅1830年的水彩畫,展現了侏羅紀時期的萊姆里吉斯海岸,主要基於威廉·巴克蘭的科學研究和瑪麗·安寧收集的化石,是重建古代生態系統的第一次嘗試。不信你看,蛇頸龍和魚龍互相廝打的同時,還在悄悄拉屎——蛇頸龍腹下的橢圓狀物體就是糞便。

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《Duria Antiquior》水彩畫,描述史前時代的萊姆里吉斯海岸。

圖片來源:wikipedia

受時代的局限性,食物網的第一次重建並不完善。

今天,我們已經可以採用新的科學技術,來窺探糞便里的世界。2020年10月,英國布里斯托大學的科學家對成千上百坨糞化石進行CT掃描,識別出各類骨骼、鱗片和牙齒,重建了布里斯托地區兩億多年前的淺海食物網:海洋爬行動物和鯊魚吃小魚,小魚吃更小的魚和龍蝦,魚龍甚至可能還會啃生蚝。

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頂部為魚龍,右上角為蛇頸龍,藍色箭頭表示2020年研究的捕食者-獵物關系,紅色箭頭和黑色箭頭來源於2018年的研究

圖片來源:參考文獻[3]

CT掃描結果還顯示,各種糞化石內部的骨骼和鱗片幾乎沒有損壞,這意味着史前海洋動物的消化能力欠佳,無法像現代大多數食肉動物一樣溶解骨頭,只能硬着頭皮,努力把骨頭拉出體外。最有意思的是,一厘米長的鯊魚糞化石竟混合着三塊骨頭,一塊來自魚類的頭骨,另外兩塊來自小型海洋爬行動物的尾椎。

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鯊魚糞化石內部的三塊骨骼,藍色為魚類頭骨,綠色和黃色為海洋爬行的尾椎。圖片來源:參考文獻[3]

至於這條鯊魚是在食腐撿漏屍體呢?還是活生生啃了一條魚的頭部,轉而又往一隻海洋爬行動物的尾巴末端啃去呢?咱就不得而知了。

當糞化石堆積成層時,還會形成具有經濟價值的磷礦。

19世紀中葉,英國人意識到磷酸鹽能夠提高農作物產量,於是具有高磷酸鹽含量的糞化石開始被開採用作肥料。數十年間,糞化石采礦區如雨後春筍般涌現,形成大規模產業,邊上的餐飲設施、住宅和教堂也一一發展起來。

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19世紀中葉的工人們在開采糞化石

圖片來源:Buckinghamshire County Museum

雖然該產業早已衰落,礦坑回填,但那些被毀壞的、被當作肥料、被售賣的重要化石也早已不知去向。

誰的屎,你的嗎?

看到這,你或許有疑問,為什麼科學家能找到糞化石的主人?

實際上,在古生物的世界里,想知道誰拉的屎是一件十分困難的事。只有當糞化石保存在動物的腹腔時,才能做出准確判斷。而大多數時候,既要獲取糞化石本身的信息,還需要結合時代背景、地理環境、同一地層的動物化石進行分析,才有可能知道是誰拉的屎。

比如這坨長44厘米,高13厘米,寬16厘米的巨型糞便,含有很高比例(30-50%)的骨骼碎片,遠大於常見的食肉動物糞化石,而且又位於白堊紀晚期的北美洲,所以推測是某種暴龍類的糞便

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疑似暴龍糞便化石,發現於美國南達科他州。

圖片來源:wikipedia

因為普遍規律表明,糞化石體積和排泄者的體型成正比(盡管沒有一個定量關系),那顯然是暴龍類比該地區的其它動物更配得上這坨糞化石,畢竟小個子哪能拉出長達63.5厘米的糞便嘛。

而在眾多的糞化石主人中,肉食性動物數量遠高於植食性動物,因為糞化石的主要成分是磷酸鈣,骨骼和肉類能提供更多的礦物質,促進糞便礦化。

最後,如果你想擁有屬於自己的糞化石,首先請吃肉蛋奶,攝入鈣和磷;其次選擇一個好的天然廁所,比如湖泊或深海等沉積環境;然後確保糞便安全着陸,進入埋藏階段;最後交給運氣。希望經歷過百萬年的地質變動,你的糞便會以化石之身出露於地表,被「後人」拾獲……

參考文獻:

[1] Duffin, Christopher. (2009). 「Records of warfare…embalmed in the everlasting hills」 : a history of early coprolite research.. Mercian Geologist. 17. 101-111.

[2] Wang, Xiaoming & White, Stuart & Balisi, Mairin & Biewer, Jacob & Sankey, Julia & Garber, Dennis & Tseng, Z.. (2018). First bone-cracking dog coprolites provide new insight into bone consumption in Borophagus and their unique ecological niche. eLife. 7. 10.7554/elife.34773.

[3]Marie Cueille, Emily Green, Christopher J. Duffin, Claudia Hildebrandt, Michael J. Benton. Fish and crab coprolites from the latest Triassic of the UK: From Buckland to the Mesozoic Marine Revolution. Proceedings of the Geologists’ Association, 2020; DOI: 10.1016/j.pgeola.2020.07.011

[4]Argyriou,T.,Clauss,M.,Maxwell,E.et al.Exceptional preservation reveals gastrointestinal anatomy and evolution in early actinopterygian fishes. Sci Rep 6, 18758 (2016). https://doi.org/10.1038/srep18758

[5] Chin, Karen & Tokaryk,Tim & Erickson,Gregory & Calk,Lewis. (1998).A king-size theropod coprolite.Nature.393.680-682. 10.1038/31461.

來源:cnBeta