古生物学家如何发现恐龙化石？“恐龙院士”揭秘飞向蓝天的恐龙之谜

我个人喜欢研究恐龙的一个原因是可以深入自然：戈壁沙漠、高山深林，让我感觉非常放松，与现代城市生活天差地别。既然我们人类祖先就在自然、丛林，甚至更严酷的环境中生存下来，我们的基因对大自然充满留恋、热爱之情。所以，每次我们去大自然中寻找并发现化石，都是非常美妙的体验。对科学家来说，更重要的还在于享受科学发现的乐趣，无论是挖掘出新的化石，对化石做出新的解读，还是加深对生命演化的认识，这就是科学研究工作最大的特点。

我们的科学家前辈曾说过，我们所有的成就都是建立在前人研究的基础上，古生物学家也是如此，我们的地质学家前辈做了大量工作，告诉我们地球上哪个地方可能有恐龙化石。我们回到大自然中，探勘地球上裸露的岩石，自然中有很多不同时期形成、不同状况形成的岩石，而如果要找到恐龙化石，我们的目标就是中生代时期的岩石，即2亿多年前在陆地上形成的岩石，因为恐龙化石只存在于特定类型的岩石中。接下来，我们借助地质学家绘制出的地球表面地图，根据图上标志出的岩石类型、形成时间，确定工作的目标区域。

除此之外，也有其他的方式：当地人提供线索。有一位来自宁夏的考古研究员告诉我，当地一位放羊的村民在山坡上发现了疑似恐龙化石的骨骼，然后拿到北京检查是不是恐龙化石，我们确认之后就立马出发去到宁夏宁武，在山坡上搜寻半天，终于发现了一个岩石层位，最后确实发掘出恐龙化石。如今基于发现的恐龙化石，当地建立了一座恐龙博物馆，我们还命名了在那里发现的恐龙：神奇灵武龙。

随着科学技术的进步，我们还可以借助北斗系统、GPS数据、地质数据和计算机模型推测化石分布密集区域，找到区域之后，也不一定遍地都是化石。我们先要安营扎寨，约30年前，我们和中国龙王董枝明先生在蒙古国的戈壁沙漠地安营扎寨，搜寻恐龙化石，我们生活在小帐篷里，还要勇气克服恶劣的自然环境，比如沙尘暴等等。

在搜索区域找到化石之后，我们要想办法把化石采集起来，运回实验室进行修理和研究。我们会把化石包裹进白色的石膏包里面，专业术语称为皮套克，或者皮劳克。原理也很简单，我们将麻袋片混合入石膏中，然后包裹在化石和岩石上面，就和骨折打石膏绷带一样，有助于固定、保护化石，保证安全送回实验室。有时候化石很大的话，会封装入箱子中，重量可能达到七八千公斤。

在荒无人烟的沙漠戈壁中，挖掘工作困难重重。我们和老一辈的恐龙研究者在中国和世界的大地上寻找各种各样的恐龙化石，我国有很多恐龙产地，诸如新疆、甘肃、内蒙古、黑龙江、辽宁、山东、河南、浙江、江西、四川、云南。其中，新疆、内蒙古、黑龙江、山东、四川和云南是属于盛产恐龙化石的省份，大概七八十年前起，这些省份就开始陆续发现恐龙化石，直至今日，我们称之为“传统恐龙强省”。而甘肃、辽宁、河南、浙江和江西，则是近二三十年中开始大量发现恐龙化石。我在辽宁工作了很长时间，三十多年前它在恐龙发现省份的排行中还是倒数，如今已经是发现最多的地方之一。

我们发现的化石包括恐龙骨骼化石，恐龙蛋化石，恐龙脚印化石，这些化石帮助我们了解了恐龙世界的方方面面。在化石发现过程中还发生过诸多有意思的小故事，例如在电视拍摄过程中意外发现了化石，在化石搜寻过程中差点把小命丢在那里……

我们语文课本上的这篇课文是我二十多年前写的一篇科普文章，收录到小学语文四年级课文中。这篇文章描述了恐龙世界中最有意思的事件之一，也是最为神奇的演化事件：恐龙如何从陆地飞入蓝天。

这个故事要从一个理论说起：恐龙是人类的远亲。其实，不光是恐龙，鲜花、细菌也是人类的远亲。因为100多年前，英国科学家达尔文告诉我们整个生命世界，生物多样性，包括今天生活在地球上一千多万种不同的生物，细菌、鲜花、蘑菇、各种各样的动物，统统来自于40亿年前的一种生物。换言之，我们有一个共同的祖先，我们人类和其他生物都来自同一个大家族。所以，达尔文对人类社会的影响不亚于牛顿和爱因斯坦，不仅限于科学界，还影响着整个人类社会的思想。

在生命之树、生物多样性产生的过程中，产生了一个让科学家非常感兴趣的研究问题：我们熟悉的鸟类的最近亲戚是什么？或者说，五彩斑斓的鸟类源自哪里？它最近的祖先是谁？

这一问题的研究历史源远流长。1868年，英国科学家赫胥黎提出了鸟类恐龙起源假说，他所依据的是相似性原则：生物越相似，它们的亲缘关系越近。在此假设基础上，我们才能进一步推测恐龙演化成了什么生物，又或者说鸟类源自哪一类动物。在生活中，DNA亲子鉴定便是相似性原则的最佳实践。

世界上最早的鸟类是始祖鸟，而有一种恐龙称为美颌龙，这两种生物之间共享许多非常相似的生物特征，都是两条腿走路，运动的动作和姿态非常相似。所以，科学家通过分析研究各种各样灭绝的动物和早期鸟类，坚信恐龙变成了鸟类，鸟类源自恐龙。需要强调的是，这里提出的相似性原则并非普通、简单的相似性，而是特殊相似性。全世界科学家不仅在中国，在非洲、南美洲也发现了大量恐龙化石，提供了许多证据证明恐龙和鸟类是非常相似的两类动物，可以联系起来。

我们对恐龙的第一印象一定是体型异常庞大的动物，这就是恐龙非常神奇的原因之一。到今天为止，很多科学家仍然在研究这个问题：恐龙为什么会长得这么大？如果我们按照现代生物的标准来理解恐龙，它们是无法生存下来的。以人类为例，如果一个人的体重达到四五百公斤，那这个人完全站不起来，只能躺在床上，而我们所知道的最重的恐龙可能达到100吨。

我国发现过一种恐龙，拥有修长的脖颈，名叫马门溪龙，如果它们想飞向蓝天，我们做过一个简单的空气动力学计算，结果表明，马门溪龙需要展开面积为2.5万平方米的翅膀，才有可能飞行。

那么，如果需要飞向蓝天，它们首先需要缩小体型，这样比长出更大的翅膀更容易演化。确实，科学家发现恐龙世界中并不是所有的恐龙都是巨型物种，也存在小型恐龙，蜷缩起来可能比人的手还小。那么，恐龙需要变得多小才能最终飞起来呢？

这就是一个科学问题，我们需要定义“小”，因为科学研究的一个特点就是必须要有精准的定义。“小”是一种定性的描述，需要转化成定量的研究，才能进一步分析，具有可操作性，在实践中实现出来。于是，有研究就发现，恐龙的一支支系在不到两千万年的时间内，体重从几百公斤下降到几百克。因此，科学家认为体重是几百克的恐龙就算作是足够小，有了飞向蓝天的条件。

那么，紧接着就出现了下面一个问题：变成鸟类的恐龙支系体重为什么会下降了上千倍呢？这是属于“为什么会发生”的一类科学问题。虽然我们目前还回答不了为什么的问题，但是我们能够继续前进，去理解恐龙如何演化出飞行能力的。至少我们知道了一个事实前提：恐龙体型确实变小了。

除了体型变小，还需要其他条件才能实现飞行，我们知道鸟类飞行是因为它们长有羽翼。那么，我们可以追问：恐龙有羽翼吗？如果我们看传统的恐龙复原图，会发现恐龙没有羽翼，它们身上长满了鳞片和骨甲，就和典型的爬行动物一样，这些都来自于保存了骨甲、鳞片等皮肤系统的恐龙化石证据。

然而，既然鸟类源自恐龙已经成为了非常坚实的科学理论，而所有科学理论都有一个特点：预测能力。那么，我们就能够预测，至少似鸟的恐龙，或者与鸟类亲缘关系最近的恐龙应该长有羽毛。上世纪60年代，阿根廷古生物学家Jose Fernando Bonaparte在拍摄的一部纪录片中，明确提出似鸟恐龙体披羽毛。

但科学是基于证据的人类活动，很长一段时间内，古生物学家都在寻找相关证据。1996年，我国辽西地区发现了世界上第一个带羽毛的恐龙化石，就是原始中华鸟龙（Sinosauropteryx prima）。化石保留了完整的恐龙骨架，周边有一圈黑色的，类似于毛发的结构，我们把它叫做原始羽毛。该发现引发了巨大轰动，但也遭到了质疑，于是我们就需要发现更多的证据来证明。1997年冬天，我们去到辽宁，急迫地加入发现带羽毛的恐龙化石行列。

我们很幸运地在那里做出了一系列有趣的发现，其中就有一块破碎的标本——北票龙（Beipiaosaurus），可以算是锦上添花的科学发现，让理论越来越坚实。这一发现背后还有一段非常有趣的小故事，这块化石出现在我们野外挖掘的最后一天，后来我回忆自己几十年来参加的野外恐龙化石发掘之旅，发现那些重要的化石往往都是在野外工作快要结束的时候才发现。不仅仅是我们，其他研究团队也有过类似的经历，我们称之为“最后一天”的运气——化石发现法则之一。

1998年夏天，我们再次奔赴辽宁，“最后一天”运气法则再次发挥作用，我们找到了中国鸟龙化石。这一化石对我们理解恐龙飞向蓝天至关重要，因为这是一种会拍打翅膀的恐龙。它身上有羽毛，通过骨骼结构分析，我们还发现它会拍打翅膀，让我们对恐龙演化出飞行能力有了更进一步的认识。

虽然恐龙有能拍打的羽翼，但却不一定会飞，所以需要继续寻找恐龙能够飞向蓝天的证据。时间到了2000年，我们非常幸运地找到了另一个恐龙化石，这可谓是雪中送炭的科学发现。我们将发现的恐龙命名为小盗龙，是揭秘恐龙飞向蓝天的关键物种。

在揭开恐龙飞行之谜前，我们需要先了解一下鸟类飞行的大背景，传统观念上，飞行可以通过若干途径产生，其中一种就是利用重力，从树上起飞，这种方式相对容易些，是在大自然中常见的现象，因为会飞行、会滑翔的动物往往喜欢在高处，喜欢在树上。而恐龙是生活在地面上的生物，所以按照演绎推理，恐龙从陆地转向天空的演化过程应该是从地面开始。然而，我们发现的小盗龙不同于其他恐龙，它身体上有一些特殊的生理特征，例如它脚上的爪子非常弯曲，类似于生活在树上的鸟类爪子，而生活在地面上的鸟类爪子则更为平直。所以，脚趾长度比例和爪子弯曲度表明小盗龙可能生活在树上，也说明并不是所有恐龙都生活在地面上。

由此，我们可以描述出以这样一幅庞大的生活图景：大部分恐龙生活在地面上，而一小部分恐龙则生活在树上，在树上生活的过程中演化出来了飞行能力，最终变成了鸟类。当我们进一步观察小盗龙化石更多细节的时候，我们获得了更加惊人的新信息，小盗龙身上长有高度不对称的羽毛。当我们观察现代鸟类的时候，我们发现飞行能力越强的鸟类，它的羽毛越不对称。如此类比，小盗龙不对称的羽毛证明了自己的飞行能力。而且这些飞羽不仅长在翅膀上，还长在了脚上。小盗龙复原图显示这是一种会飞的四翼恐龙。我们由此获得了一个意义重大的科学发现，因为大家当时都不认为恐龙世界中存在会飞的四翼恐龙。

然而，科学发现并不简单，当我们在研究小盗龙化石的时候，其他科学家团队也在研究类似的化石，2002年有两个团队率先发表了有关新小盗龙化石的研究论文，他们得出了完全不同的结论，其中一个团队认为小盗龙脚上没有飞羽，而另一个则认为小盗龙脚上的飞羽是对称的。他们什么会做出这样的结论，这与思维固化相关。前一个团队非常熟悉现代鸟类，由于现代鸟类脚上没有飞羽，所以他们推测小盗龙腿上出现的飞羽一定是化石形成的时候冲过来的，不是真实现象。而后一个团队是世界上非常知名的恐龙专家团队，在恐龙研究者的观念中，恐龙既然生活在地面上，就不应该会飞，所以不应该在恐龙化石中看到不对称的羽毛，他们因此将化石中的羽毛看成对称羽毛。

所以，2003年，我们在《自然》期刊上发表论文，宣布小盗龙长有不对称的飞羽，而且脚上也长着飞羽，属于四翼恐龙的一种奇特恐龙，最终帮助恐龙在蓝天中翱翔。然而，科学总是在争论中前行，尤其是全新的重大发现，并不会一下子就得到学界所有人的承认。我们也是如此，著名学者加州大学伯克利分销Kevin Padian教授等人也对我们的发现提出了质疑和批判，他认为小盗龙没有四翼，即使有，可能也与飞行起源没有关系。所以，我们必须要找到更多的证据来解决这些争议。

在随后的十几年中，我们又寻找到了更多四翼恐龙，比如足羽龙、近鸟龙，甚至早期四翼鸟类的化石。所以，我们今天可以很确定地说，从恐龙向鸟类的演化过程中，经历了一个四翼阶段，不仅仅是小盗龙，还有其他一些物种都长有四个翅膀。

这些研究回答了恐龙长出四个翅膀的事实，接下来我们就要回答恐龙如何使用这四个翅膀的问题，有些人认为脚上的羽毛可能仅是装饰作用，所以我们需要进一步的研究。在麻省理工，科学家把小盗龙做成物理模型，放在测试飞行器的风洞中，通过这样一个实验，得出结论，小盗龙以一种不常见的方式飞行，它们的方式与控制飞行和安全降落关系紧密。对早期飞向蓝天的恐龙来说，高度并不是最重要的，安全飞行更为关键。

另外，清华大学的赵景山团队使用机器人方法来测试小盗龙的飞行能力。方法很简单：先制作出小盗龙机器恐龙，然后研究人员把机器龙扔向空中，它确实飞了起来。

简单总结一下，大多数恐龙生活在地面上，其中有一部分转移到树上生活，演化出四个翅膀以及飞行能力，后来后翼逐渐退化，最终演化出我们现在的鸟类。这一过程得到了不少古生物学家的承认，也有学者仍抱有质疑。在诸多科学家的努力下，经过二三十年孜孜不倦的研究，让我们更加准确、深刻地认识了恐龙演化成鸟类的过程。2014年《科学》期刊将鸟类起源研究纳入当年世界十大科学突破。

科学研究永无止境，我们总会遇到新问题。2015年，我们发现了一块可以算是颠覆了我们认知的化石：奇翼龙。我们在仔细看化石的时候，看到了一块奇特的棒状结构骨头。我研究了几十年的恐龙，可以说是熟悉恐龙身上的每一块骨头，但我完全不认识这块骨头。我们花了很长时间研究，后来我们团队的一位成员发现，这块骨头非常类似于飞鼠这种哺乳动物身上的一块骨头。飞鼠一种会滑翔的动物，它长有皮膜翼，其中的一个组成部分就是它手腕上这块弯曲的长骨头，支撑它形成皮膜翼，而恐龙身上也出现了相似的结构。经复原，我们发现恐龙也有可能像飞鼠一样，长着皮膜翼，这一颠覆性发现拓宽了恐龙演化出飞行能力的演化线路，也说明了生命演化永远不是简单的单一线性，而是一段非常复杂的过程。在恐龙转向蓝天的最早期阶段，最先出现的是长有类似于蝙蝠翅膀的恐龙，后来在演化中消失了，出现了以小盗龙为代表的四翼恐龙，直至鸟类的最终出现。

各种化石发现不仅告诉我们恐龙会飞行，还告诉我们它们的飞行方式完全不一样。在我们的认知不断进步的基础上，产生了另一个问题：如果小盗龙和鸟类非常相像，那么根据相似性原则，小盗龙与鸟类的亲缘关系应该更亲近。但如果我们熟悉恐龙分类的话，就知道恐龙家族分为三大类：鸟臀类恐龙，如三角龙；蜥脚类恐龙，如马门溪龙；以及兽脚类恐龙，如小盗龙，那么鸟类就不是恐龙。但小盗龙和鸟类的亲缘关系更近，我们就应该将小盗龙和鸟类纳入同一家族中，鸟类就是恐龙。也就是说，如今地球上生活着的11000种鸟类都是恐龙，也就说有11000种恐龙生活在我们周围。背后就蕴含着科学家对物种归属和分类的不同划分，不同科学家做出了各自的选择。

带羽毛恐龙化石的研究为人类知识体系的建设做出了重要贡献，我们的自然科学工作者未来需要做出更多的贡献，也希望更多的年轻学生有志加入科学发现的队伍，一起做出贡献。