微化石猎人展示最清晰恐龙时代生态系统

研究人员已经收集了数以万计的微小化石，这些化石属于生活在大约7500万年前白垩纪世界、与恐龙共存的生物。脊椎动物微化石骨层（VMBs）保存了成千上万种小而坚硬的动物部分，这些动物非常微小，一阵强风就能将它们从你手中吹走。团队使用显微镜扫描沉积样本以寻找这些微小的化石。为了收集这些样本，研究人员在蒙大拿州中北部的朱迪斯河地层划船50英里，那里有砂岩、泥岩和煤的层状岩石。

他们的发现包括：除了像食草的短头龙这样的恐龙牙齿外，团队还发现了无牙、类似鸵鸟的恐龙的爪子和椎骨；可能成为水生掠食者猎物的小型哺乳动物的牙齿、椎骨和骨质甲板；鱼类的牙齿、椎骨和鳞片。鲨鱼牙齿。两栖动物的肢体和肋骨。龟壳和蜥蜴附肢的骨板。此外，还有已知最古老的扁虫和蛤蜊之间寄生互动的证据。

专家们的看法：“这些保存完好的化石为我们提供了迄今为止最高分辨率的恐龙生态系统画面，”麦卡莱斯特学院生物学和地质学教授Kristina A. Curry Rogers和Raymond R. Rogers写道。“它们揭示了那些常被忽视的生物，它们在恐龙脚下爬行和游动，可能在它们耳边嗡嗡作响，甚至可能捕食它们的幼崽——以及清理它们的死尸。”

走进自然历史博物馆的化石长廊，你很可能会遇到一些壮观的骨骼，它们是曾经行走在我们星球上最令人敬畏的生物：恐龙。从高耸的蜥脚类和可怕的霸王龙到像坦克一样的甲龙和有角的角龙，恐龙主导了我们对过去的想象。但要理解这些动物及其世界，科学家们必须超越阿帕托龙、霸王龙和其他标志性化石的耀眼遗骸，去关注那些乍一看毫不起眼、微小的化石。这些谦逊的微化石不会出现在公众展览中，但它们为我们提供了关于我们最喜爱的史前巨兽的生活和时代的一些最佳线索。

在过去的三十年里，我们一直在蒙大拿州中部的上密苏里河断崖国家纪念碑进行考察，以寻找这样的化石。这片149英里的惊人美丽的不毛之地，正是科学家们从1800年代开始首次了解北美恐龙的地方。在这个地点，我们的团队发现了大量的化石，来自一系列以前未知的、与那些更著名的恐龙共存的生物。这些化石记录了一个生态系统的繁荣，这个生态系统在一颗致命的小行星撞击地球之前1000万年就已经存在。

我们一直在寻找特殊的化石组合，称为脊椎动物微化石骨层，或VMBs。这些地点保存了成千上万种小而坚硬的动物部分，从微小寄生虫的痕迹，到米诺鱼的鳞片，再到更大的青蛙、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能找到化石，在实验室中我们使用解剖显微镜通过沉积物搜索这些微小的遗骸。这些保存完好的化石为我们提供了迄今为止最高分辨率的恐龙生态系统画面。它们揭示了那些常被忽视的生物，它们在恐龙脚下爬行和游动，可能在它们耳边嗡嗡作响，甚至可能捕食它们的幼崽——以及清理它们的死尸。有了它们的存在，古代世界变得栩栩如生。

我们俩对研究VMBs有着非常不同的视角。克里斯蒂致力于理解有史以来最大的恐龙——长颈四足的植食性蜥脚类的生物学。这些巨人自她记事起就吸引了她。克里斯蒂最快乐的时光是在阳光普照的采石场辛勤工作，慢慢挖掘出比她还大的肢体骨骼。相比之下，雷是一位地质学家，他在岩石中工作，以解读骨床——骨骼堆积——是如何形成的，以及它们揭示了一个生物的生命和死亡环境的信息。幸运的是，除了结婚，我们还是彼此最亲密的科学合作者。

在我们联手之前很久，雷就忙于在与克里斯蒂专注的化石沉积物完全相反的环境中工作。他不是花整个野外季节挖掘一个巨大的骨架，而是可能在几个小时内在VMBs中收集成千上万的化石。这个成就听起来很了不起，但大多数来自VMBs的化石都非常小，你可以打一个喷嚏就把它们从指尖吹走。克里斯蒂一直热爱挖掘最大的生物，她对研究VMBs的转变是勉强的。但是用手持透镜和显微镜观察微小的遗骸揭示了生活在她巨人阴影下的一群完美保存的动物骨骼。克里斯蒂意识到，VMBs中的微化石在揭示恐龙生态系统的运作方面具有巨大的力量。

通过我们在上密苏里河断崖国家纪念碑——或者说断崖——的工作，我们能够以惊人的细节重建这样一个生态系统。这是一个酝酿了数十年的场景。1855年，一位26岁的探险家和自然学家费迪南德·海登首次对断崖进行了地质调查。他在那大约7600万年历史的岩石露头上短暂穿越了几天。他对这些富含化石的岩石的初次探索，取得了北美首次科学收集的恐龙骨骼和牙齿。但海登不仅仅收集了恐龙遗骸。从我们现在会认为是典型的VMB中，他还捡到了一些鱼、乌龟和鳄鱼的骨骼和牙齿。通过他的首次重大发现，海登不仅为我们对史前北美的认知增添了一群恐龙，还开始揭示了一个古老的生态系统。

30多年来，我们和我们的本科生团队一直追随海登的脚步。我们采用老派方式，划独木舟和徒步穿越不毛之地，忍受热浪、泥泞、昆虫和蛇类，寻找白垩纪时期生活过的动物遗迹。我们的工作产生了成千上万的恐龙和与之共存动物的骨骼和牙齿。我们已经了解了这些特殊化石组合是如何形成的，这些化石代表了哪些生物，以及它们能教给我们关于复杂的白垩纪世界的哪些知识，正是这个世界让恐龙闻名。

断崖的核心是密苏里河，这位景观设计师负责雕刻出起伏平原上戏剧性的“断崖”，赋予了该地区它的名字。岩石露头高出河谷数百英尺。这些由砂岩、泥岩和煤层组成的条纹层构成了朱迪斯河层。

在地层底部和顶部发现的海洋砂岩和页岩表明，在白垩纪，海洋从未远离。当时，朱迪斯河的沉积物在被称为西部内陆海道的浅海海岸线附近积累。这个海道从北冰洋延伸到墨西哥湾，并通过现在的哈德逊湾向东延伸，基本上将北美洲分成了三部分。在白垩纪，海洋的海岸线就在我们现在工作地点的东边几英里处，使我们在断崖的野外区域成为了海滨地产。古老的河流从初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或佛罗里达州的大沼泽地的环境。

这样的地方为产生卓越的化石记录提供了完美条件。温暖湿润的环境有丰富的食物和水，可以支持许多不同的植物和动物。当这些生物在现在的断崖地区死亡时，它们的遗骸在宁静的湖泊和湿地中缓慢而稳定地积累，最终被细粒泥土覆盖。这些沼泽系统中的沉积化学同样有利于长期保存。与其溶解脆弱的骨骼、牙齿和壳，不如说化学条件促进了化石化，基本上将这些身体部位转变成了石头。

地质力量也在保存这些生物遗骸供后人研究方面发挥了作用。整个地区在构造上是活跃的，是一个巨大地质盆地的一部分，随着附近上升的山脉向下推压地壳而形成。这个盆地允许朱迪斯河层的沉积物和它们保存的化石积累起来，而不是被侵蚀到海里。这个地区现在正在经历的侵蚀使我们能够在岩石中找到化石。 研究人员在断崖的化石狩猎场，需要沿密苏里河划行50英里。图片来源：杰夫·托尔 尽管朱迪斯河层的部分区域保存了大型美丽的恐龙骨架，但我们目标的区域，位于河谷深处，有些不同。这些地点——VMBs——保存了大量的骨骼、牙齿和其他只有几分之一英寸大小的碎片，来自于从恐龙到软体动物的各种生物。

学者们长期以来一直在辩论VMBs是如何形成的。第一个假设认为，保存在VMBs中的化石是经过古代食肉动物消化道集体通过的，这些地点代表了粪便的集中。尽管化石记录中确实存在粪便集合，但这一解释本身无法解释朱迪斯河VMBs的保存质量和地质背景。另一个假设认为，VMBs是在河流流动时捡起并携带来自各种动物的小而坚硬的部分，并将它们沉积在一个地点。但我们在朱迪斯河层收集的地质和法医数据与这种基于运输的场景大体上不一致。

与我们的合作者，史密森尼国家自然历史博物馆的恐龙馆长马修·卡拉诺一起，我们花了很多时间解剖了20多个朱迪斯河层VMBs的细粒度细节，并为这些地点的发展提出了一个新模型。我们的数据显示，这些VMBs是在池塘和湖泊中积累的。细小的沉积物落在生活并在这些长期存在的水生生态系统周围死亡的动物遗骸上。随着时间的推移，坚硬的骨骼遗骸在底部收集并形成了化石沉积。当底栖生物穿越泥浆、觅食尸体并在其日常活动中翻动沉积物时，个别骨架断裂，它们的元素分散。

这种情况解释了为什么VMBs产生的骨骼碎片通常是脱节的，以及为什么持久的身体部分往往是特别耐用和强壮的（想想牙齿、小骨头和鳞片）。当你研究VMBs时，你不能像找到一具孤独的恐龙骨架那样将大腿骨连接到膝盖骨。但是VMBs比单个大骨架能告诉我们更多，因为它们保存了社区。

“人行道尽头……乐趣开始。”这是我们当地酒吧啤酒保温套上印着的口号，位于蒙大拿州温弗雷德镇，人口大约200人。没有比这更好的描述了这个小小的草原绿洲。温弗雷德是我们离开文明铺砌的道路前往泥土小径和河流之前的最后停靠点。我们前往一个很少有人旅行的地区，这正是我们所喜欢的。对我们来说，就像对海登一样，到达断崖最远和最有趣的地方的最佳方式是乘船和徒步。

一旦我们在温弗雷德离开铺砌的道路，轨迹蜿蜒至河边，那里的岩石山谷墙壁辐射出热量——在河上通常至少比在温弗雷德上面热10度。空气静止不动，除了蚱蜢偶尔发出的翅膀敲击声和啪响声，因为它们向天空发射自己，断崖是寂静的。

只有几条道路穿过这片领土。其中之一通向斯塔福德-麦克莱兰渡轮码头，那里的高架电缆引导平台渡轮穿过密苏里河。这是几英里内唯一过河的地方，它通常作为我们独木舟船队的起点。一旦我们开始旅程，我们很难再看到其他人，直到我们下游登陆。我们装满了我们需要的所有装备，包括尽可能多的水、所有的食物、帐篷和采集用品，包括几个五加仑的桶，主要用于收集含化石的沉积物（至少有一个将在接下来的几天里作为我们的厕所）。我们旅途中唯一的流动水将是泥沙河。洗澡将是浸泡，需要穿过粘腻的、及膝深的泥潭。它们让我们凉快下来，但我们通常最终比之前更脏。

周围的荒地紧贴着河流，形成了一条岩石走廊，头顶上只有天空。秃鹰在河岸边的棉木树丛中筑巢，鱼鹰在我们前方的河流中搜寻食物。海狸浮出水面并用尾巴拍打以示警告，声音在山坡上回响并向下流传。我们不时能辨认出巨大的鲶鱼和鲤鱼在浑浊的水面上的轮廓，偶尔一只软壳龟在河中央探出头来检查我们。

在下午的宁静中，太阳直射下来，加热我们的铝制独木舟和我们的肩膀。我们将脚伸到船外以降温。我们拍打蚊子和看不见的小虫，喜欢咬耳朵、眼皮和发际线的蠓虫。如果风起，我们可能会用橡皮筋将独木舟绑在一起，形成筏子，举起一块帆布作为临时帆，加速顺流而下。傍晚时分我们会在棉木树欢迎的阴凉处找到一个地方扎营。

在晚白垩纪地球仪上突出显示的近似区域成为了蒙大拿州。现代地图详细展示了朱迪斯河组和上密苏里河断崖国家纪念碑，以及密苏里河附近的28个脊椎动物微化石骨层遗址。

我们随着太阳醒来，徒步走进山丘，躲避响尾蛇，穿行在带刺的丝兰和仙人掌之间，穿梭于芬芳的鼠尾草丛中。我们偶尔惊扰在阴影中休息的大角羊，或者当另一只羊在我们头顶的悬崖上奔跑时，我们自己也被吓一跳。我们的目光专注于地面和附近的斜坡，寻找VMBs。

在这广阔的景观中找到如此微小的化石似乎是不可能的，但有一些线索指引我们。我们寻找合适类型的沉积岩：深灰色和棕色的泥岩，可能含有一些表示沼泽环境的漆黑化植物化石，以及带有反映古代水流的斜纹的浅灰色砂岩。我们还寻找在阳光下闪闪发光的露头。这种闪光来自生活在白垩纪池塘和湖泊中、死去的蛤蜊和蜗牛的化石碎片。VMBs通常被发现在这些闪闪发光的岩层中。

当有人在山坡上的某处发现一些风化的化石碎片时，我们会追踪这些碎片回到它们的来源地，慢慢地用手和膝盖爬上斜坡，鼻子贴近地面，眼睛扫描从侵蚀岩石中露出的微小化石。最终我们会找到化石集中的层。我们可以在一个小山丘上花费一整天或更长时间，使用冰镐或口袋刀轻轻地从VMB的软岩石中取出化石。我们收集所有能看到的东西，小心地将化石加入样品袋和试管中。在我们对表面进行彻底搜索之后，是时候拿起岩石锤、锄头和铲子了。我们挖掘骨层的石块，并将它们装入我们的五加仑桶和巨型样品袋中。

一旦我们回到大学实验室，我们就将含有化石的沉积物装入我们称之为“浸洗器”的装置中。这个自动化设备通过堆叠不同网目的筛子清洗骨层沉积物。我们将沉积物块放入一个筛子中，该筛子捕获任何大于约0.08英寸大小的化石和岩石碎片，但允许较小的碎片通过。在这个筛子下面是一个细网筛子，捕获小至0.02英寸（小于针头大小）的化石碎片。在浸洗器中经过几个小时后，大多数沉积物团块分解，沉积物流走，留下筛子中的骨头、牙齿、贝壳和其他化石残渣。

随着化石的回收，我们转向显微镜。我们的学生花了数百个小时专注于筛选后的化石。他们使用超细的画笔，刷毛细化到只有几根毛发来整理化石浓缩物。在放大镜下，VMB世界的样子是惊人的。肉眼看到的仅仅是黑色的斑点，却在显微镜下变成了完美的小牙齿、颌骨、肢骨和椎骨。朱迪斯河组的多样性变得栩栩如生。

让我们向您介绍我们在VMBs中遇到的生物群。我们从陆地领域开始，那里是白垩纪的明星——恐龙生活的地方。恐龙的牙齿在一生中不断更替，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装甲类的甲龙类，如Zuul属，以及圆顶的厚头龙类，如Stegoceras。我们样本中最常见的恐龙牙齿来自食草恐龙，它们的牙齿排成一排，形成了一个研磨表面，功能上类似于哺乳动物的臼齿。通常我们只找到这些牙齿的磨损碎片，因此识别特定物种可能很困难，但我们已经找到了鸭嘴龙类恐龙的牙齿，包括Brachylophosaurus，以及有角和饰边的角龙类，如Spiclypeus。

我们的遗址还发现了食肉恐龙的痕迹，这些恐龙是这个晚白垩纪生态系统中的顶级掠食者。锋利、锯齿状的牙齿证明了暴龙类恐龙Tyrannosaurus rex的表亲Daspletosaurus和小型、羽毛的兽脚类Troodon的存在。我们还发现了无齿、类似鸵鸟的兽脚类Ornithomimus的爪子和椎骨。恐龙也统治了朱迪斯河生态系统的天空，以鸟类的形式出现。小而脆弱的动物通常保存得不太好，但许多早期鸟类都有牙齿，这些牙齿足够坚固，可以在VMBs中保存下来。

像鸟类一样，哺乳动物是晚白垩纪化石记录中另一个难以捉摸的群体。但我们知道它们曾来到朱迪斯河组的湖泊和池塘，因为我们偶尔会找到像Alphadon这样的小毛球的牙齿，它与现存的负鼠相似。

这些哺乳动物可能成了这里古老湖泊周围生活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水域和岸边狩猎。它们的牙齿、椎骨和骨质护甲板是最常见的VMB化石之一。阵容中的一种不寻常生物是Champsosaurus。这种长嘴、尖牙的动物看起来有点像今天的恒河鳄，一种伏击猎物的食鱼爬行动物。Champsosaurus的卷轴状椎骨和宽阔的肋骨在我们的遗址中经常出现，表明它是朱迪斯河组生态系统中的一个重要成员。

正如您所期望的那样，在这个7600万年历史的水世界中，鱼类是丰富的。我们的收藏包括数千个代表大型鱼类和米诺鱼的椎骨、牙齿和鳞片。这些鱼会在朱迪斯河组的湖泊中成群结队，使水面因它们的集体移动而闪烁。淡水鲨鱼也游过这些水域，还有Myledaphus，一种外形像吉他鱼的生物，拥有扁平、菱形的牙齿，非常适合压碎小型甲壳类和软体动物。

在晚白垩纪的地球仪上，朱迪斯河组突出显示的区域成为了蒙大拿州。该地详细展示了上密苏里河断崖国家纪念碑，以及密苏里河附近28个脊椎动物微化石骨层遗址。

我们随着太阳醒来，徒步走进山丘，躲避响尾蛇，穿行在带刺的仙人掌和丝兰之间，穿梭在芬芳的鼠尾草丛中。我们偶尔会惊扰在阴凉处休息的大角羊，或者当另一只羊在我们头顶的悬崖上奔跑时，我们自己也会吓一跳。我们的目光专注于地面和附近的斜坡，寻找VMBs（微小化石）。

在这个广阔的景观中找到如此微小的化石似乎是不可能的，但有一些线索指引着我们。我们寻找合适类型的沉积岩：深灰色和棕色的泥岩，可能含有一些表示沼泽环境的黑色化植物化石，以及带有表明古代水流的斜纹的浅灰色砂岩。我们还寻找在阳光下闪闪发光的露头。这种闪光来自生活在白垩纪池塘和湖泊中的死去的蛤蜊和蜗牛化石碎片。VMBs通常被发现在这些闪亮的岩层中。

当有人在山坡上的某个地方发现一些风化的化石碎片时，我们会追踪这些碎片回到它们的来源地，慢慢地用手和膝盖爬上斜坡，鼻子贴近地面，眼睛扫描从侵蚀岩石中露出的微小化石。最终我们会找到化石集中的层。我们可以在一个山丘上花费一整天或更长时间，使用冰镐或口袋刀轻轻地从VMBs的软岩石中取出化石。我们收集所有能看到的东西，小心地将化石加入样品袋和试管中。在我们对表面进行彻底搜索之后，是时候拿起岩石锤、锄头和铲子了。我们挖掘骨层的石块，并将它们装入我们的五加仑桶和巨型样品袋中。

一旦我们回到大学实验室，我们就将含有化石的沉积物装入我们称之为“浸洗器”的装置中。这个自动化设备通过堆叠不同网目的筛子来清洗骨层沉积物。我们将沉积物块放入一个筛子中，该筛子捕获任何大于约0.08英寸大小的化石和岩石碎片，但允许较小的碎片通过。在这个筛子下面是一个细网筛子，捕获小至0.02英寸（小于针头大小）的化石。在浸洗器中经过几个小时后，大多数沉积物团块分解，沉积物流走，留下筛子中的骨头、牙齿、贝壳和其他化石残渣。

随着化石的回收，我们转向显微镜。我们的学生花了数百个小时专注于筛选后的化石。他们使用超细的画笔，刷毛细化到只有几根毛发来整理化石浓缩物。在放大镜下，VMBs的世界是惊人的。肉眼看到的仅仅是黑色的斑点，却在显微镜下变成了完美的小牙齿、颌骨、肢骨和椎骨。朱迪斯河组的多样性变得栩栩如生。

让我们向您介绍我们在VMBs中遇到的生物群。我们从陆地领域开始，那里是白垩纪的明星——恐龙生活的地方。恐龙的牙齿在一生中不断更替，这些牙齿是我们收藏中最常见的，也是最容易识别的化石之一。我们VMBs中的一些恐龙牙齿属于装甲类的甲龙类，如Zuul属，以及圆顶的厚头龙类，如Stegoceras。我们样本中最常见的恐龙牙齿来自食草恐龙，它们的牙齿排成一行，形成了一个研磨表面，功能上类似于哺乳动物的臼齿。通常我们只找到这些牙齿的磨损碎片，因此识别特定物种可能很困难，但我们已经找到了鸭嘴龙类恐龙的牙齿，包括Brachylophosaurus，以及有角和饰边的角龙类，如Spiclypeus。

我们的遗址还发现了食肉恐龙的痕迹，这些恐龙是这个晚白垩纪生态系统中的顶级掠食者。锋利、锯齿状的牙齿证明了暴龙类恐龙Tyrannosaurus rex的表亲Daspletosaurus和小型、羽毛的兽脚类Troodon的存在。我们还发现了无齿、类似鸵鸟的兽脚类Orniomimus的爪子和椎骨。恐龙也统治了朱迪斯河生态系统的天空，以鸟类的形式出现。小而脆弱的动物通常保存得不好，但许多早期鸟类都有牙齿，这些牙齿足够坚固，可以在VMBs中保存下来。

像鸟类一样，哺乳动物是晚白垩纪化石记录中另一个难以捉摸的群体。但我们知道它们曾来到朱迪斯河组的湖泊和池塘，因为我们偶尔会发现像Alphadon这样的小毛球的牙齿，它与现存的负鼠相似。

这些哺乳动物可能成了古老湖泊周围生活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水域和岸边狩猎。它们的牙齿、椎骨和骨质护甲板是最常见的VMB化石之一。我们的遗址中经常出现的一种不寻常生物是Champsosaurus。这种长嘴、尖牙的动物看起来有点像今天的恒河鳄，一种伏击猎物的食鱼爬行动物。Champsosaurus的卷曲椎骨和宽阔的肋骨在我们的遗址中经常出现，表明它是朱迪斯河组生态系统中的一个重要成员。

正如您所期望的那样，在这个有着7600万年历史的水世界中，鱼类是丰富的。我们的收藏包括数千个代表大型鱼类和米诺鱼的椎骨、牙齿和鳞片。这些鱼会在朱迪斯河组的湖泊中成群结队，使水面因为它们的集体移动而闪烁。淡水鲨鱼也游过这些水域，还有Myledaphus，一种外形像吉他鱼的生物，拥有扁平、菱形的牙齿，非常适合压碎小型甲壳类和软体动物。