两千多万年前,西藏冈仁波齐盆地海拔不到三千
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通过对比相似植物类群在当时及现在的生存环境,研究团队进一步判断,在2300万年前,冈仁波齐盆地并不像现在这样高海拔、寒冷、干燥。当时,那里海拔适中,为1500米至2900米,气候也温凉湿润。在此之后,这一地区逐渐隆升,植被也由阔叶森林变成如今的高山草甸。

这一时期,当今世界上所有大猫,如狮、虎、豹等的共同祖先——最早的雪豹也出现在高原。邓涛他们在阿里地区札达盆地440万年前、上新世早期地层中发现原始豹类头骨化石,具有扁平的额鼻区域和扩展的上颌骨,“这是雪豹的典型特点,由此成为雪豹化石的最早记录,为冰期动物起源于青藏高原提供了又一个确切例证。”邓涛兴奋地说。

古生物学家、美国堪萨斯大学自然历史博物馆暨生物多样性研究所教授苗德岁对研究化石的过程有一个形象的比喻。

两千多万年前,西藏冈仁波齐盆地海拔不到三千米

得到如此重要的线索,他们在接下来的野外考察中加了把劲,终于在尼玛盆地以东的伦坡拉盆地发现更多样的化石。邓涛介绍,其中攀鲈及其伴生植物等指示温暖湿润环境的化石,是重建青藏高原隆升历史重要的证据。

今年5月,Spicer和周浙昆都参加了中英联合西藏野外科考,Spicer时隔那么多年再次来到南木林县,来到当年化石点脚下的欧布堆村。他甚至还找到了20年前为他担当助手的欧布堆村的村民。青藏高原的一切都还在。

相关研究成果已于近日发表在国际地质学期刊《三古》上。

2014年,丁林和他的团队在拉萨北部的林周盆地发现揭示隆升过程的证据。“盆地里有从海底到山的过程,比如白垩纪时期的海底化石。”丁林说,在湖泊河流交界处发现的古土壤,说明这里在白垩纪晚期时已变成陆地。接着,印度大陆和欧亚大陆就碰撞了,“从火山岩古土壤夹层研究发现,新生代早期、约5600万年前,冈底斯山已经隆升到4500米左右的高度。”

这是演化生物学非常有趣的研究内容。面对生物演化的结果,倒推造成这一结果的原因、中间经历的过程以及相伴的条件等等。

新华社南京1月11日电记者从中科院南京地质古生物研究所获悉,中国地质大学与该所研究人员合作,通过植物化石分析,发现西藏冈仁波齐盆地在2000多万年前海拔尚不足3000米。这一发现为研究青藏高原南部的隆升历史提供了重要依据。

从植物到动物,从骁勇善战的大型肉食动物到苟且营生的小型鼠类,在青藏舞台上陆续登场之后,或就地适应,或迁徙他处。在中科院古脊椎动物与古人类研究所所长邓涛研究员看来,青藏地区的生物演化历程撑起了今天世界生物多样性的主体。

不仅如此,团队在发掘化石攀鲈的同层岩石里,还找到了相同环境下生存的植物化石。这一植物群落包括了典型的喜欢暖湿环境、叶型硕大的棕榈,菖蒲以及与浮萍类关系密切的天南星科水生植物。

“冈仁波齐盆地是认识青藏高原南部隆升历史的关键地区之一。而整体了解青藏高原何时隆升、怎样隆升,对认知地球构造运动过程,以及对包括人类在内的所有生物的影响都具有重要意义。”参与此次研究的中科院南古所副研究员史恭乐说。

喜马拉雅山脉和冈底斯山脉是喜马拉雅造山带的重要组成部分。冈底斯山脉平行位于喜马拉雅山脉之北,著名的冈仁波齐便是它的主峰之一。

真正把高原隆升作为一个科学命题开始正式研究,那是在上个世纪70年代青藏高原第一次综合科学考察以后的事了。此后,关于青藏高原的隆升历史和过程,尤其是不同地质时期的古高度,科学家们一直争论不休……

冈仁波齐盆地是一处位于藏南拉萨地块南部冈底斯山脉的沉积盆地。此前研究认为,冈底斯山脉在5500万年之前已隆升到4500米,接近现在的海拔。

发现攀鲈——东南亚常见观赏鱼的祖先

古高度重建的困惑

此次研究中,科研人员有了不同的发现。在冈仁波齐盆地内,研究团队首次发现了一个保存精美的远古化石植物群。化石分析显示,这些植物化石距今有2300万年历史,其中包括杨树、豆科植物、松树等多种植被类型。这说明,在2300万年以前,那里曾覆盖着落叶阔叶林。

先有冈底斯,后有喜马拉雅

吴飞翔曾在这两个盆地距今约2600万~2400万年前的晚渐新世地层中,发现过非常重要的鱼类化石——西藏始攀鲈。现生的攀鲈喜温暖湿热的环境,适宜温度在15℃~30℃之间,分布区海拔大多在500米以下。但当时它们的化石出现在海拔近5000米的地方,实在令人吃惊。

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青藏高原被誉为生物演化的“天然实验室”。

自1995年开始,Spicer每两三年就尝试进入南木林地区,由于天气以及当时的交通条件受限,直到第三次才真正到达海拔4400米左右的植物化石点,采集了400多块叶化石标本。

“第二次青藏科考以古植物化石、古土壤和古碳酸盐岩为对象,通过最新的碳、氧同位素等古高度计方法,重建了喜马拉雅山和冈底斯山6500万年以来完整的隆升历史。”丁林说,青藏高原隆升不是一次完成的,冈底斯山隆升在前,然后喜马拉雅山才逐渐隆升到现在的高度。

问题是,关于青藏高原古高度的其中一种代表观点,基于稳定同位素分析认为青藏高原在印度—亚洲板块碰撞的早期阶段形成,在晚渐新世或中中新世达到现在的高度。

“随着喜马拉雅山的隆升超过青藏高原的高度,南亚季风气团向北传输受到阻挡,青藏高原逐渐干旱。”丁林说,喜马拉雅山脉把南亚季风从旁导向华南以远,带去雨水,从此沙漠环境变季风湿润气候,才有了我们的鱼米之乡、烟雨江南。

这既是青藏高原研究者的矛盾和困惑,也是他们研究的趣味和动力。

喜马拉雅山的隆升过程不同于冈底斯山。丁林说,碰撞后喜马拉雅地区还是海,而随着印度大陆持续往北推进,直到5500万年前,最后一滴海水彻底蒸发掉以后,这里成了温润的热带雨林。他们对藏南地区5600万—1900万年前的棕榈、桉树、榕树等植被化石进行古高度计重建发现,喜马拉雅山在5500万—5000万年前海拔约1000米;之后缓慢上升,在2400万—1900万年前才到2300米左右;最后到1500万年前达到大于5500米,即现今的高度。

他第一次在青藏高原用植物化石证据,采用叶相分析法,定量测定了南木林盆地的古高度。证明早在1500万年前,南木林就已经达到现今高度了,从中新世以后并没有再发生抬升。

同时,与攀鲈同层的植物群落包括典型的喜暖湿环境、叶型硕大的棕榈、菖蒲,以及与浮萍类关系很密切的天南星科水生植物。“多种化石证据互相参照,证明这里当时海拔不超过2000米,意味着当时来自印度洋的暖湿气流可以深入藏北地区,说明现代青藏高原南缘横亘东西的巨大山脉在当时还没隆起到足以阻挡南来暖湿气流的高度。”邓涛说。

西藏始攀鲈化石

“之后它们扩散至世界各地,后裔有美洲豹、金钱豹、云豹、非洲狮等。”邓涛说,根据古地理学的分析结果,布氏豹支系的多元演化可能与青藏高原在新生代晚期的隆升及其造成的环境变化存在密切联系。由此,为大型猫科动物的亚洲起源观点提供了强大支持。

重见南木林

青藏高原隆升至现代高度后,约500万年前,披毛犀、北极狐、盘羊等哺乳动物的祖先开始出现在高寒的高原上。邓涛说,由于预先适应了寒冷环境,在之后第四纪大冰期来临时,这些动物一部分走出青藏地区向北迁徙,成为冰期动物群最主要的组成部分,北极狐甚至在北极圈附近留存至今。留在高原的则成为今天高原动物群最重要的代表。

伦坡拉和尼玛盆地大量古生物化石证据都与该结论是明显对立的。而丁林团队的研究也认为,拉萨地块北部的抬升应该存在局部的地形高差。

札达的雪豹始祖化石被命名为布氏豹。“根据头骨大小判断,布氏豹的体型与云豹相仿,但要比雪豹小1/10,后两者今天都栖息在喜马拉雅山脉等地。”邓涛说,综合12种现生及灭绝的猫科动物的形态学特征和DNA基因数据,用系统发育学的分析方法可以证明布氏豹与现生雪豹的亲缘最近,与虎也关系密切。

过去,由于受到科考客观条件的约束,以及化石本身的难以获得性,利用古植物和古脊椎动物群的证据来揭示青藏高原的隆升并不常用。

2010年,邓涛和他的团队在藏北高原的尼玛盆地南缘发现了丰富的鱼类化石。其中创建了一个鲤科鲃类化石的新属新种,被命名为张氏春霖鱼,据他们推测这种鱼生活在晚渐新世时期。“张氏春霖鱼接近于现在亚洲热带的鲃类,应该是一种生活在低海拔温暖地区的鱼类。”邓涛由此推断,尼玛盆地一带在晚渐新世时期还是低海拔温暖环境。

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高原隆升前的江河湖源区分布着热带动植物群落,其中包括今天南亚、东南亚鱼类区系主要类群的最古老代表。“隆升前的青藏地区是这些鱼类早期演化的关键区。”邓涛说,这里是现代生物多样性的起源中心。

伦坡拉盆地种类丰富的化石植物类群,包括棕榈、栾树、椿榆等

青藏高原隆升改变了亚洲宏观地形和自然环境格局。丁林说,对青藏高原的综合研究,首先要回答的问题是:喜马拉雅山、冈底斯山是何时达到现今高度的?

这里还发生过一个小插曲。苏涛的导师、中科院昆明植物研究所研究室主任周浙昆,曾通过植物化石与最相近现存类群对比的古高度重建方法,对Spicer得到的研究结果提出了不同的看法。这些年,通过对植物分布受到的古气候因素的校正,他们的结论也逐渐趋向一致。

攀鲈在分类上属于攀鲈亚目攀鲈科,生活环境主要在海拔500米以下,最高不到1200米,现在主要分布在南亚、东南亚和非洲中西部热带地区。攀鲈栖息于河湖边缘或沼泽水洼,偏好浅、安静、缺氧的水体,经常把头伸出水面在空气中呼吸,甚至在雨后爬出水面登岸“行走”。

南木林的北边是那曲申扎县,海拔更高,肆意张扬的云彩压得更低。科考队此行最重要的新化石发掘点,位于伦坡拉和尼玛盆地之间,色林措的西岸。

“千万年来,青藏地区经历了从热带平原到高寒草甸的沧桑巨变。化石证据表明,这一生长过程中,无数新物种应运而生。”在第二次青藏科考首期成果报告会上,中科院青藏高原研究所丁林院士告诉科技日报记者。

Spicer的主要研究方向,就是建立植物叶片具体形态特征与气候参数之间的关系。因为不同种属的植物在相似的气候条件下拥有类似的叶相特征,利用这些特征组合就可以估算气温和湿度等相关的函数,从而推算出相对精确的古高度。

研究结果表明,大型猫科动物可能起源自较小的猫类,而且远比想象的要早。“并非如以前分子生物学研究提出的上新世晚期,而是更接近于现生猫科动物最早分化的中新世时期。”邓涛团队利用已知解剖特征在整个时间序列里的变化速率和观察到的布氏豹形态估计,最早的豹亚科成员可能在距今1100万—1000万年前从猫亚科分离出来。

攀鲈的特别之处在于一种叫迷鳃的结构。迷鳃表面覆盖着呼吸上皮,有着丰富的毛细血管,通过迷鳃的血液会经由静脉回流到心脏。凭借这一器官,攀鲈可以直接呼吸空气中的氧气,成为可以上岸的鱼类。

邓涛说,在藏北发现的攀鲈化石是迄今最早、最原始的化石代表,被命名为西藏始攀鲈。研究结果显示,这种始攀鲈具有类似于现代攀鲈的生理特征和生态习性,喜欢温暖湿润的环境。

据此推断,晚渐新世这一地区的生物群落与现在中国南部亚热带地区比较接近,且群落所在地海拔应该不超过2000米,从印度洋而来的暖湿气流还可以深入到藏北地区。

豹亚科自青藏高原向全球扩散由受访者供图

“因为,对于同位素分馏和物种分布来说,现代过程并不容易精准地确定。此外,地史时期的气候环境背景与现代的状态有着显著的差异,因此相关的校正也会受到人为因素的影响。”他认为,在每一个青藏高原的研究地区,不同的古高度结果可能会通过不同的甚至相同的方法得到,而相同的结果也可能由不同的方法取得。

力证“大型猫科动物起源于亚洲”

邓涛表示,大多数依据碳酸盐氧同位素进行的古高度重建认为,在古近纪末期到新近纪初期,青藏高原已达到现在的高度。然而,同位素古高度方法需要假设一系列不确定参数和条件,如地质年龄、成岩作用、样品类型、蒸发效应、大气温度、气候变化等,由此可能导致古高度的错误解释。

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那一套发育良好的大型地层剖面,由紫红色的粉砂岩、灰绿色泥岩、浅黄绿色钙质页岩组成,远远望去,呈蜿蜒的阶梯状分布。几头藏野驴就好像知道,藏在这样的背景色里不易被人发现,只管悠闲地游荡。

说来有意思,第一个意识到这个问题的是一个半世纪以前的一位英国博物学家,他叫法尔康那。1839年,当时正在印度工作的法尔康那在伦敦地质学会上发表了一篇论文,内容是关于西藏新近纪地层的犀牛化石的,这个报告也是研究中国脊椎动物化石的第一篇科学论文。

去年,Spicer从英国花了几个月时间将两个集装箱共1670册有关地质学、古生物学、生态学、植物分类学的书籍运到版纳植物园,无偿捐献,最老的图书距今已有200多年。

2003年,Spicer跟他的合作者在《自然》上发表了一篇文章Constant elevation of southern Tibet over the past 15 million years,吸引了很多研究者的关注。

早期,科学家对高原隆升的认识过于简单,常常把一个具体区域的高度推广到整个高原。但中科院院士、青藏高原研究所研究员丁林团队提出的重要观点是,青藏高原隆升的过程其实是很复杂的。青藏高原由不同的块体组成,它们的隆升历史和达到现今高度的时间有统一的部分,也有独立的部分。

两千多万年前,西藏冈仁波齐盆地海拔不到三千米彩世界彩票注册平台官网。吴飞翔猜测,在这两个重要盆地中间的地带找化石,它的沉积环境和古生物面貌也极有可能与两者有关联。

一条陷入争议的鱼

周浙昆团队从2011年起便在西藏进行古植物化石的探索研究,Spicer也成为了他们最紧密的合作伙伴。

拉萨地块的冈底斯山是欧亚大陆碰撞的最南缘,被认为是认识青藏高原新生代形成演化的基础,也是探索亚洲气候演化的关键,而南木林盆地则是最早揭示冈底斯山脉古高度的窗口。根据这个研究,拉萨地块南部在青藏高原抬升过程中是完成较早的部分。

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不过,由于低温会导致血液无法回流心脏而死亡,2600万年前,化石攀鲈要想存活,必须生活在足够温暖、潮湿的低地。

他说,古生物学家就像福尔摩斯探案,发现了一种化石首先要鉴定它的身份,这就和弄清被害者的身份一样;接下来,要研究它与其他亲缘种的关系,就像研究被害者的社会关系。他们还要搞清楚这个物种从哪里来的,为什么会葬身在这里,以及它死亡的原因、埋藏的条件……

但是,法尔康那并未到过西藏,那些化石是他从几名在加尔各答做贸易的藏族商人身上寻来的“圣物”。藏族商人只记得,它们来自海拔5000多米的尼提山口。随后,法尔康那鉴定显示,那是几块犀牛的腿骨碎片,并认为,它与生活在印度、适应炎热环境的独角犀是同一类型。他因此推断,几百万年前,此地还是低海拔暖湿环境,喜马拉雅山在那之后上升了2000多米。

果不其然,短短半天时间的前期调查过程中,科考队就采集了数量可观的动、植物化石材料,且与伦坡拉和尼玛盆地有相似之处。

总体来说,目前,应用于青藏高原古高度变化研究中的古高度计主要依靠的就是稳定同位素和古生物。但中科院古脊椎所所长邓涛曾专门撰文总结,无论是地球化学还是古生物学方法,现代过程都是解决地史时期问题的有效参照,但却存在相当大的难度。

化石证据与古高度重建

“When you leave Tibet, Tibet will never leave you.”科考车队驶过日喀则地区的南木林县,苏涛突然想起了英国古生物学家Robert Andrew Spicer的这句名言。青藏高原有很多的科学家“粉丝”,Spicer绝对算得上是一位。

从9月24日起,为了第二次青藏高原综合科考,由古脊椎所和版纳植物园的科学家组成的古生物科考队开始了为期10天的新化石区前期调查工作。本报记者随科考队一起,从藏北辗转藏南。

“多跑路,多挖土,得幸福……”10月4日,中科院古脊椎动物与古人类研究所副研究员吴飞翔和中科院西双版纳热带植物园副研究员苏涛分别结束了他们在青藏高原的第13次和第14次古生物考察。这两位年轻的“80后”,是青藏高原不折不扣的“铁粉”。

这么说不是因为如今的青藏高原是地球的第三极,而是那场波澜壮阔的造山运动,直接造成了新生代全球和区域环境的深刻变化。比如,它重树了亚洲主要河流水系的分布和走向,改变了亚洲大气环流形势,从而加强了亚洲季风系统,甚至影响了动植物的迁徙和演化。如果不去探索、厘清那段历史,就不可能真正了解如今我们赖以生存的家园环境。

在青藏高原,讲述物种本身的演化故事当然很重要,但化石还有一个功能,就是去重建整个高原在地质时期的变化历史。

比如,从氧同位素的角度看,现代的青藏高原可以分为两个地区:南部地区的氧同位素垂直梯度变化率急剧,而北部地区的变化率只达到南部的一半水平。但是,针对各个新生代盆地的古近纪时期或新近纪时期,应该采用什么水平的氧同位素垂直梯度变化率,不同的研究者却持有不同的观点。

2000年以后,古生物组在青藏高原的考察和研究中获得越来越多的发现,从生物演化的角度去描绘青藏高原的隆升过程和影响效应也应该受到更多的关注。

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(原载于《中国科学报》2018-10-12第1版要闻)

伦坡拉和尼玛盆地一带位于班公湖—怒江断裂带的中段,它被普遍认为是青藏高原地区一条意义重大的构造缝合带。两个盆地在地理上东西相接近,沉积活动也受到相同的构造因素控制,并反映在沉积环境和古生物面貌上。

生命诞生在海洋,青藏高原是到了新生代初期才从海洋“跃升”而来。这次跃升是由于印度板块向北漂移,而与欧亚大陆发生了碰撞,这是近5亿年来地球历史上发生的最重要的地质事件之一。

并非每一个化石点都有惊喜等待,但这群年轻人始终乐此不疲。这些化石,见证了我们家园形成的重要历史,但它尚被谜团缠绕。

这其中最关键的问题是,青藏高原究竟是如何隆升的,它的年代、幅度以及形式是什么样的。而古生物化石是很重要的证据,因为生物对气候环境的变化非常敏感,青藏高原隆升对气候环境所造成的影响必定会反映在该地区生物群的演替上。

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