澳大利亚罕见的新“Lagerstätte”化石遗址被发现

由澳大利亚博物馆（AM）和新南威尔士大学（UNSW）的古生物学家Matthew McCurry博士和堪培拉大学的Michael Frese博士领导的 澳大利亚和国际科学家团队在澳大利亚新南威尔士州发现并调查了一个重要的新化石点， 其中包含中新世时代的动物和植物化石的极好例子。该小组的发现于1月7日发表在《科学进展》杂志上。

这个新的化石地点（命名为McGraths Flat）位于新南威尔士州的中央台地，靠近Gulgong镇，是澳大利亚仅有的几个可以被归类为"Lagerstätte"的化石地点之一--一个包含特殊质量化石的地点。

在过去的三年里，一个研究小组一直在秘密挖掘该遗址，发现了数以千计的标本，包括雨林植物、昆虫、蜘蛛、鱼和一根鸟羽毛。

McCurry博士说，这些化石形成于1100万至1600万年前，对于了解澳大利亚大陆的 历史 非常重要。

McCurry表示：“我们发现的化石证明，该地区曾经是温带中雨林，新南威尔士州中央台地这里的生命是丰富的。”

他说：“我们发现的许多化石对科学来说是新的，其中包括活门蜘蛛、巨型蝉、黄蜂和各种鱼类。”

McCurry说：“直到现在，我们还很难判断这些古代生态系统是什么样的，但是这个新化石点的保存水平意味着，即使是像昆虫这样的小型脆弱生物也变成了保存完好的化石。”

使用堆叠显微摄影和扫描电子显微镜（SEM）对化石进行成像的 Michael Frese副教授说，来自McGraths Flat的化石显示出令人难以置信的保存细节。

"使用电子显微镜，我可以对植物和动物的单个细胞进行成像，有时甚至是非常小的亚细胞结构，"Frese说。

"这些化石还保存了物种之间相互作用的证据。例如，我们有鱼的胃内容物保存在鱼体内，这意味着我们可以弄清楚它们在吃什么。我们还发现了保存在昆虫身体上的花粉的例子，因此我们可以知道哪个物种在为哪些植物授粉，"Frese补充说。

"黑色素体（储存黑色素的亚细胞器）的发现使我们能够重建曾经生活在McGraths Flat的鸟类和鱼类的颜色模式。有趣的是，颜色本身并没有被保存下来，但是通过比较我们化石中黑色素体的大小、形状和堆积模式与现存标本中的黑色素体，我们通常可以重建颜色模式，"Frese解释说。

这些化石是在一种叫做“ 针铁矿”的富含铁的岩石中发现的，--通常不被认为是特殊化石的来源。“我们认为，将这些生物体变成化石的过程是它们为什么保存得如此完好的关键。我们的分析表明，这些化石是在富含铁的地下水排入比目鱼群时形成的，铁矿物的沉淀将生活在水中或落入水中的生物体包裹起来，”McCurry补充说。

McCurry博士说，这些植物和动物化石与澳大利亚北部雨林中的化石相似，但有迹象表明McGraths Flat的生态系统开始干涸。

"我们在沉积物中发现的花粉表明，在较湿润的雨林周围可能有较干燥的栖息地，表明向干燥条件的转变，"McCurry说。

维多利亚皇家植物园科学部执行主任David Cantrill教授说，保存的化石种类繁多，加上保存的保真度极高，使人们能够前所未有地了解澳大利亚过去的一个重要时期，那是一个中生代生态系统仍然主导该大陆的时期。

“McGraths Flat植物化石为我们提供了一个窗口，让我们了解一个更温暖的世界的植被和生态系统，一个我们在未来可能会经历的世界。”Cantrill说：“植物化石的保存是独一无二的，为了解澳大利亚化石记录相当贫乏的时期提供了重要启示。”

澳大利亚博物馆首席科学家兼AM研究所所长Kristofer Helgen 教授说，这个化石点为我们带来了现在几乎无法相信存在的澳大利亚内陆的景象。

“澳大利亚在生物方面是最独特的大陆，这个遗址在告诉我们世界上这一地区的进化 历史 方面是非常有价值的。它提供了气候变化的进一步证据，有助于填补我们对那个时代和地区的知识空白，”Helgen说。

"AM拥有丰富的探险和科学研究的 历史 ，我们喜欢公众总是对这些基本的人类 探索 和发现的努力着迷，"Helgen补充说。

McGraths Flat的实地考察工作是由1866年来到澳大利亚的英国古生物学家Robert Etheridge的后人慷慨资助的。 Etheridge于1887年加入澳大利亚博物馆，担任助理古生物学家，1895年被任命为博物馆馆长。

澳大利亚博物馆馆长兼首席执行官Kim McKay AO说，在 Etheridge的领导下，澳大利亚博物馆的藏品得到了极大的加强，他还发起了一项探险计划--第一次是前往豪勋爵岛--该计划一直延续到今天。

“AM一直有一个重大科学发现的悠久传统。很高兴看到McKay博士的工作延续了这一传统，这与我们早期的古生物学家、馆长和主任Robert Etheridge有直接的联系，”McCurry说。

一般情况下，针铁矿是其他铁矿（如黄铁矿、磁铁矿等）在风化的条件下形成的。针铁矿也可以因沉积作用而形成于海底或湖底。针铁矿是一种比较重要的铁矿石，除了提炼铁以外，人们还将它用作黄赭颜料。针铁矿的颜色由黄褐色到红色，晶体为片状、柱状或针状。晶体的集合体一般为具有同心层和放射状纤维构造的球状、钟乳状或块状。

针铁矿是一种分布广泛的矿物，作为一种水合铁氧化物，在现有铁矿矿物中的重要性仅次于赤铁矿（ hematite，α-Fe2O3）。 它的西方名称来自著名的德国诗人歌德（J.W. von Goethe，1749-1832），1806年这位热衷于在野外收集矿物的文人的名字被记录为一种常见的矿物。起初，这个名称是用来描述另一种现在被称为纤铁矿[lepidocrocite，γ-FeO(OH)]的矿物，后者与针铁矿同质多象（即有共同的化学组成但晶体结构不同）：针铁矿中氧和氢氧根离子的排列呈现六方最密堆积，而纤铁矿为立方堆积，两者的铁离子都分布与一个八面体空隙中。

在成因上，作为氧化条件下含铁矿物的风化产物是最为普遍的一种情况，例如所谓的褐铁矿大多数情况下主要成份便是针铁矿⑴。基于同样的原因，一些铜和铁的硫化矿体的外围和露头的风化铁帽（例如在美国亚利桑那的硫铁矿），以及一些由蛇纹岩风化而成的砖红壤堆积（例如在古巴的一些红壤铁矿），也是由针铁矿为主体构成的。沉积也是另一种常见的形式，可以是直接沉淀的也可能是生物成因，这一类的针铁矿常常在湖沼底层沉积物和泉水周围被发现，这些呈层状或结核状的不纯针铁矿有时又被称作沼铁矿（Bog Iron Ore）。最后，还有一种较为少见的形式，人们也会在一些热液脉的空隙中发现低温热液成因的该矿物。另外，需要说明的是，在区域变质作用之下，该类矿物（包括其他含水的铁氧化矿物）会脱水而形成赤铁矿或磁铁矿。

关于鉴定，作为一个有固定成分的晶体矿物，若结晶完好，是容易辨别的。但更常见的情况是，该矿物会以无定形的形态出现，这时我们是不能仅仅依靠观察来判别的。正因为如此，作为一种人类很早就在利用的铁矿，“针铁矿”这一概念直到1806年才从“褐铁矿”（limonite）——这个不太科学的名称中走出。人们开始意识到，褐铁矿这种不纯的无定形态的物质在大多数矿区都可以被认定为实际上是针铁矿（确切而言，指以该矿物为主），而直到X射线衍射法诞生，“褐铁矿”作为一种独立矿物的观点才从人们的视野里走出。

在应用上，它最早是作为一种叫做“赭石”的颜料而被应用的；当然作为很多地区褐铁矿的主要原生矿物，冶铁原料自然是它重要的应用形式，例如在它的最大产地，法国的阿尔萨斯－洛林盆地。除了在上文提及的地区，分布在北美大湖地区和阿拉巴契亚山脉山南、拉布拉多半岛以及南非、巴西、澳大利亚部份地区的铁矿也是该矿物重要的产出地。最后需要注明的是，若该矿物继续发生水合作用，所产生的亚种叫做水针铁矿。

注：1.褐铁矿实际上是由针铁矿和纤铁矿继续水化而形成的无定形矿物，由于它通常是不纯的，或者说它会包含这两种原生矿物，所以现在人们不把它认为是一种独立矿物。在大多数发现的褐铁矿中，原生矿物是以针铁矿为主体的。

图片说明：采集地点为美国密歇根 Negaunee ,Michigan，U.S.

这只锯蝇（sawfly）在1600万到1100万年前生活在现在的澳大利亚东南部，它的头上还保存着花粉颗粒，这是古代雨林生活的一个缩影。

供图：Michael Frese

撰文：Michael Greshko

几年前的一天，在澳大利亚东南部古尔贡镇（Gulgong）外约25公里处，Nigel McGrath花了一天时间在自己的土地上艰苦耕作。这片土地上布满了沉重的、富含铁元素的岩石，对他的农具构成了威胁，因此McGrath不得不用手把松散的石块拖成堆。就在那时，他注意到了它们：保存完好的树叶化石，像石头书中的压印一样塞在岩石中。

现在，科学家们已经证实，这些散落在不到半个足球场面积上的铁石包含了迄今为止在古代雨林中发现的最惊人的生命记录之一。

在《科学进展》杂志上公布的这一地点——被称为麦格拉斯平原（McGraths Flat）——是世界上仅有的几个保留了可追溯到中新世时代的雨林生态系统的地点之一，中新世指从2303万年前到533万年前的这段时期。这段时间里，世界经历了巨大的生态变化，澳大利亚开始从以雨林（比如现在的亚马孙）为主过渡到我们今天所看到的灌木与干草丛生的干旱地区。

这些孤立的花朵化石被认为属于锦葵目 ，这是一个由7000多种活体植物组成的物种，包括木槿和可可。摄影：Michael Frese

澳大利亚还有其他以哺乳动物和爬行动物骨骼而闻名的中新世化石遗址，但这些遗址并不总是保存着构成生态系统基础的小而软的物质。但McGraths Flat却有大量的这种小化石，它们记录了1600万至1100万年前新南威尔士州生长的令人惊叹的多样化雨林。

在麦格拉斯平地，蜘蛛腿毛都成了化石，而化石鱼的肚子里还塞满了蠓虫。叶子被保存得如此完好，研究人员甚至可以看到它们曾经用来吸食二氧化碳的气孔。

新南威尔士大学古生物学家Suzanne Hand说：“这些新发现的材料，质量和数量都非常出色，从它们中提取和呈现的生物和生态信息也是如此。”

麦格拉斯平地的化石甚至包含了生命活动的定格瞬间。一只锯蝇的头部沾满了花粉，估计是刚刚享用了一朵花的花蜜。一条鱼的尾巴上载着一名“乘客”：无孔贻贝的寄生幼虫，当它搭“顺风车”逆流而上时，就靠这条鱼的黏液生存。

这项新研究的共同第一作者、悉尼澳大利亚博物馆研究所的古生物学家Matthew McCurry说：“这些化石的保存质量相当完好，我们可以精确又生动地看到这些生态系统，这是前所未有的。”

这个羽片（或者说是叶的一小部分）化石，很可能来自一种海金沙属的蕨类植物。甚至这种植物的10微米宽的孔隙都变成了化石，在电子显微镜下可见。

麦格拉思平地遗址还保存着许多种类的昆虫，包括可以自由游动的蜻蜓幼虫，被称稚虫，也就是图中这个化石。摄影：Michael Frese

保存极其完好的化石

2017年，McCurry 和他的同事第一次从McGrath 那里听说了这个地方。意识到这些化石的潜在意义之后，他们就开始连续3到4天访问这个遗址，研究这些燧石状的岩石，以瞥见古代雨林的景象。

科学家们对该遗址分析得越多，就越意识到这种化石保存方式是多么不寻常。这些化石都埋藏在一种叫做针铁矿（Goethite）的氧化铁矿物的极细层中。以前也在这类岩石中发现过化石，但麦格拉斯平原标本的质量尤为突出。

Frese补充说，这种不寻常的石化类型使得麦格拉思平原化石特别容易用扫描电子显微镜(SEM)分析，扫描电子显微镜是目前最强大的显微镜。通常情况下，样品放置在扫描电镜下必须被镀上一层薄薄的金或铂，也就限制了对这些样品的进一步研究。但麦格拉斯平板化石已经富含铁，而且导电，可以直接放置在电子显微镜下，不需要任何额外的准备。

Frese说：“化石放置在扫描电子显微镜下的时候和它拿出来的时候完全一样。”

最小的化石已经有了一些惊人的发现。在该遗址唯一已知的羽毛化石中，研究人员可以看到黑色囊状物，其形状表明羽毛可能是深色或彩虹色的。科学家们还能看到保存在鱼化石眼睛里的黑色素，他们甚至还发现了1100万年前蝴蝶或蛾子翅膀上脱落的一块鳞片。

在放大镜下，我们看到这只约2cm长的天牛身上有一位“乘客”：一只小线虫。

麦格拉思平原的化石包括一根鸟类的羽毛，非常完好，在电子显微镜的高倍镜下可以看到黑色素的囊状物。摄影：Michael Frese

被铁水淹没的湖泊

研究小组目前的想法是，麦格拉思平原曾经是一个河迹湖，当一条蜿蜒的河流的一部分被切断时就会形成。大多数时候，这个湖是相当安静的，氧气含量低，很少有捕食者。但是，从迄今为止从该地找到的十几块鱼化石来看，鱼和其他河流生物被周期性地冲入湖中，可能是附近的河流淹没了河岸。

McCurry和Frese怀疑，附近的玄武岩沉积物中的铁溶解在通过风化岩的水中。这些含铁的水随后到达地下水位，并最终从侧面渗入河迹湖。

每当新鲜的、高含氧量的水进入湖中——也许是通过暴雨或洪水——铁离子就不能再保持溶解，并迅速在湖床底层形成针铁矿。这些迅速沉淀的矿物质会将那些碰巧沉到湖底的树叶或尸体掩埋。随着时间的推移，针铁矿就取代了被掩埋的软组织，在我们今天看到的化石中记录了它们的形状。

该小组有理由认为，湖泊的针铁矿循环可能是由季节性季风造成的。到目前为止，在McGraths Flat发现的数百个花化石中，大多数在开花之前就已经死亡，这表明掩埋的过程发生在一年中的一个固定时间。该小组还发现了许多昆虫化石，在现代生态系统中，这些昆虫只在春季和夏季出现。

为了验证他们的想法，以及分析已经发现的化石宝藏，研究人员还有很多工作要做。McCurry和Frese正热火朝天地试图完善对化石地点年代的估计，这可能有助于研究人员更好地了解McGraths Flat是如何从热带雨林转变为干燥的灌木丛的——这是一条关于雨林可能如何应对当今气候变化的线索。

这张人工着色的扫描电子显微镜图像显示了四个肝吸虫的孢子（Cingulasporites ornatus）。这些孢子和其他孢子可以作为含化石岩石的年龄的参考，它们帮助研究人员确定了化石地点的年龄：在1100万到1600万年之间。图源：Michael Frese

通往过去和未来的窗口

在中新世早期和中期，大气中的二氧化碳水平大约为400至500ppm，与人类活动对未来的二氧化碳水平的估计大致相似。中新世还出现了持续的变暖期，例如1700万到1400万年前的中新世气候最佳时期，这可能与McGraths Flat记录的时间片断重叠。

中国科学院古生物学家王博说：“这些结果可能有助于更好地理解未来雨林生态系统面临的人为全球变暖的变化，”他没有参与这项新研究。“这篇论文显示，热带生物群在澳大利亚至少到达了南纬37度，但我们不知道它们是什么时候来的，什么时候离开的，以及驱动机制是什么。”

但即使在研究小组寻找更多的化石时，研究人员也会忙于处理他们已经发现的令人眼花缭乱的标本，McCurry 说。“我们实际上有十年的工作要做。”

（译者：张淏然）

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