锌同位素(δ66Zn)实证：晚白垩世西内陆海道鲨鱼作为顶级捕食者的食物网结构与营养级

《Gondwana Research》：Sharks as apex predators in the Late Cretaceous Western Interior Seaway empirically revealed by zinc isotope analyses

为解决因化石记录不连续导致的晚白垩世海洋生物食物网结构与营养相互作用重建困难这一核心问题，本研究首次将牙釉质(质)锌同位素(δ66Znen)分析应用于中生代化石，对来自美国新墨西哥州和堪萨斯州图仑阶-科尼亚克阶(Turonian–Coniacian)边界沉积的16个海洋脊椎动物类群（主要为鲨鱼）的牙齿进行了分析。结果显示，δ66Zn信号保存良好，证实了西内陆海道(WIS)内鲨鱼等类群存在显著的资源分配，多个鲨鱼类群占据了与现代海洋顶级捕食者相当的极高营养级。这项研究为深时（可追溯至9000万年前）食物网动态和生态相互作用的稳健重建提供了新途径，扩展了锌同位素在古生物学和进化研究中的应用。

　　

大约在9000万年前的晚白垩世，一片被称为西内陆海道(Western Interior Seaway, WIS)的广阔浅海将北美大陆一分为二。这片史前海洋是生命的摇篮，孕育了从微小浮游生物到巨型鲨鱼和海生爬行动物的多样化群落。然而，时光久远，这些古老生物之间的“餐桌礼仪”——谁吃谁、谁站在食物链的顶端——却因化石记录的局限而长期笼罩在迷雾之中。传统的证据，如咬痕、胃容物化石，不仅稀少而且难以量化物种的营养级。更复杂的是，当时海洋中的主角，如箭石、菊石、蛇颈龙、沧龙以及许多独特的鲨鱼物种，早已在白垩纪-古近纪灭绝事件中消失，使得我们无法通过与现代生态系统的简单类比来理解那时的食物网。其中，体长可达10米、装备着磨盘状牙齿的碎壳食性鲨鱼Ptychodus，很可能占据了一个在现代海洋中已不存在的生态位。要解开这些深时生态谜题，需要一种能够穿越时间长河、在生物遗骸中保留下其生前饮食“化学指纹”的强大工具。

近年来，一种名为锌同位素(δ⁶⁶Zn)分析的地球化学方法崭露头角。由于生物体在消化吸收过程中会发生锌同位素的质量分馏，导致较重的锌同位素在捕食者组织中相对于其食物有所贫化，因此动物的δ⁶⁶Zn值会随着营养级的升高而降低。这一“营养级效应”已在新生代化石和现生哺乳动物及鱼类（包括鲨鱼）中得到验证。脊椎动物牙齿最外层的牙釉质或釉质(在鲨鱼中称为釉质，enameloid)因其高度矿化，比牙本质(dentine)或骨骼更能抵抗成岩作用改造，成为δ⁶⁶Zn分析的理想材料。尽管已有研究将该技术成功应用于早中新世化石，但其在更古老的中生代化石记录，尤其是评估深时复杂海洋食物网方面的潜力，仍是一片未经充分探索的领域。

为此，一支由古生物学家和地球化学家组成的国际研究团队，在《冈瓦纳研究》(Gondwana Research)上发表了一项开创性研究。他们首次将釉质锌同位素(δ⁶⁶Zn_en)分析应用于中生代化石，旨在揭秘晚白垩世西内陆海道，特别是其中鲨鱼类群的营养生态。研究聚焦于WIS历史上一个独特时期——图仑阶-科尼亚克阶过渡期，这恰好是沧龙超科开始演化但尚未成为优势海洋捕食者的“黎明前夕”。研究团队提出了几个核心科学问题：在如此古老的地层中，牙齿釉质的δ⁶⁶Zn原始生物信号是否得以保存？WIS内部不同地点（相隔约1100公里）的食物网基线δ⁶⁶Zn值是否存在显著差异？最重要的是，当时WIS中的各种鲨鱼及其他海洋脊椎动物分别占据了怎样的营养级，它们之间的食物网结构和营养相互作用是怎样的？

为了回答这些问题，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，对来自美国新墨西哥州和堪萨斯州两个图仑阶-科尼亚克阶边界化石地点（均属于Turonian–Coniacian Time Transgressive Event滞后沉积）的116颗牙齿进行了釉质取样，涵盖了16个分类群，包括多种鲨鱼、硬骨鱼和海洋爬行动物。所有样本均来自博物馆馆藏，并获得了合法的破坏性取样许可。其次，在专业实验室（如法兰克福大学FIERCE中心）使用牙钻从牙齿表层精细刮取釉质粉末。随后，通过离子交换柱色谱法纯化样品中的锌元素。最后，利用多接收器电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)高精度测定样品的δ⁶⁶Zn值，并通过与标准物质的比对进行仪器质量分馏校正。此外，研究还对部分牙齿的牙本质δ⁶⁶Zn值以及所有样品的锌浓度进行了分析，以评估成岩作用的影响，并使用单因素方差分析(ANOVA)和事后Tukey HSD检验进行统计学差异比较。

研究结果

1. 锌同位素值与营养级分布

分析显示，两个地点的釉质锌同位素值(δ⁶⁶Zn_en)范围很广。在新墨西哥组合中，Archaeolamnasp.、Cretodussp. 和 Cretalamnacf. C. appendiculata具有最低的δ⁶⁶Zn_en平均值（约-0.58‰至-0.60‰），而碎壳食性的鲨鱼Ptychodus mammillaris和硬骨鱼Pycnodontiformes indet. 具有最高的值（约+0.55‰和+0.50‰）。在堪萨斯组合中，Cretodusspp. 和 Cretoxyrhina mantelli的值最低（约-0.44‰和-0.43‰），而硬骨鱼Protosphyraenasp. 和 Xiphactinus audax的值最高（约+0.60‰）。统计结果表明，每个组合内部的大多数类群之间δ⁶⁶Zn_en值存在显著差异，揭示了显著的资源分配。

2. 成岩作用评估

通过比较同一样本牙齿的釉质和牙本质δ⁶⁶Zn值，研究人员发现两个地点的成岩历史不同。新墨西哥样品的牙本质锌浓度低，δ⁶⁶Zn值接近常见的地质来源，表明其处于贫锌的成岩环境，釉质的生物信号可能保存完好。堪萨斯部分鲨鱼牙本质则显示出极高的锌浓度，表明经历了富锌流体的改造，但其釉质的锌浓度和δ⁶⁶Zn值与新墨西哥及德国桑托阶(Santonian)的同类标本相似，且釉质δ⁶⁶Zn值与锌浓度之间无相关性，这些都反驳了釉质生物值被完全改造的可能性。因此，尽管牙本质受到不同程度改造，但鲨鱼牙齿釉质的δ⁶⁶Zn值很可能未受显著改变。

3. 食物网基线变异性与古今对比

Cretodusspp.、Scapanorhynchus raphiodon和 Squalicoraxcf. S. falcatus在两个WIS组合中的δ⁶⁶Zn_en值范围没有显著差异，表明两地食物网基线δ⁶⁶Zn变异性可能可忽略。更重要的是，WIS鲨鱼的δ⁶⁶Zn_en值范围与现代鲨鱼以及地质年代更晚的新生代化石鲨鱼高度重合。例如，WIS顶级捕食者的值与现代大白鲨(Carcharodon carcharias)、灰鲭鲨(Isurus oxyrinchus)相当，而中型鱼类食性鲨鱼的值则与现生沙虎鲨(Carcharias taurus)类似。这表明自晚白垩世以来，海洋食物网基线δ⁶⁶Zn值可能变化不大，使得古今对比成为可能。

4. 西内陆海道鲨鱼的古生态学

基于δ⁶⁶Zn_en值，研究清晰地描绘了WIS鲨鱼的营养级图谱：

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  顶级捕食者 (Apex Predators)：Cretodusspp.（克里托齿鲨）、Cretoxyrhina mantelli（金厨鲨）以及新墨西哥的Archaeolamnasp. 和 Cretalamnacf. C. appendiculata（白垩耳齿鲨）占据了最高的营养级，其δ⁶⁶Zn_en值极低，与现代海洋顶级捕食者相当。化石证据也支持它们能捕食大型鱼类、其他鲨鱼乃至海洋爬行动物。
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  中级捕食者 (Mesopredators)：包括Scapanorhynchus raphiodon（铲吻鲨）、Squalicoraxcf. S. falcatus（角鳞鲨）、堪萨斯的Cretalamna以及 Anomotodonsp.（斜齿鲨），它们占据中等营养级，可能主要以鱼类为食。其中，Cretalamna的δ⁶⁶Zn_en值范围很宽，支持了其作为机会主义捕食者/食腐动物，食谱灵活的假说。
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  食腐/泛化捕食者 (Scavenger/Generalist)：Squalicoraxcf. S. falcatus的值范围大且平均值高于专性鱼类食性鲨鱼，这与基于其锯齿状牙齿和化石咬痕推测的、包括食腐在内的泛化食谱相符。其值低于同期海洋爬行动物，支持了可能的捕食关系。
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  碎壳食性低营养级者 (Durophagous Low Trophic Level)：装备磨牙状牙齿的Ptychodus mammillaris在所有分析的鲨鱼中δ⁶⁶Zn_en值最高，表明其营养级最低，主要以带壳无脊椎动物为食，这与它的牙齿形态学推断一致。

研究结论与意义

本研究得出了几项关键结论，具有重要的科学意义。

首先，在方法论上，研究证实了牙釉质(质)锌同位素(δ⁶⁶Zn_en)可以作为强大的深时古生态代理指标。尽管两个WIS地点的牙齿牙本质经历了不同的成岩改造（新墨西哥为贫锌环境，堪萨斯部分样本有锌富集），但鲨鱼釉质的δ⁶⁶Zn值和锌浓度与现代及新生代标本可比，且两者间无相关性，结合同牙分析的证据，表明原始的生物δ⁶⁶Zn_en信号在大部分乃至全部鲨鱼样本中得以完好保存。这是首次明确证实δ⁶⁶Zn值可以保存在中生代鲨鱼牙齿釉质中，将该技术的可靠应用边界从新生代大幅推前至中生代。

其次，研究揭示了晚白垩世WIS食物网基线δ⁶⁶Zn变异性可能很小。多个鲨鱼类群在两个远隔千里的组合中具有一致的δ⁶⁶Zn_en值范围，并且WIS鲨鱼的值与它们在现代生态系统中的生态相似种高度重合。这意味着海洋δ⁶⁶Zn_en值可能具备跨时间和空间的直接可比性，无需繁琐的基线校正，极大地简化了古今对比和跨区域比较的研究流程。

最重要的是，本研究首次利用δ⁶⁶Zn_en分析，定量重建了晚白垩世WIS一个关键时期的海洋脊椎动物食物网结构。结果显示，在沧龙尚未崛起的图仑阶-科尼亚克阶过渡期，WIS的鲨鱼类群在营养生态上存在高度的资源分配，占据了从顶级捕食者到初级消费者的广泛生态位。特别是，Cretodus、Cretoxyrhina、Archaeolamna和 Cretalamna等多个类群占据了与现代大白鲨等相当的顶级捕食者位置，表明鲨鱼在当时是WIS首要的海洋顶级捕食者。这一发现不仅增进了我们对特定地质时期古生态的理解，也印证了鲨鱼作为关键捕食者在维持海洋生态系统结构和功能方面的重要性具有深远的历史根源，凸显了保护当今鲨鱼种群对于海洋健康的长远意义。

综上所述，这项研究成功地将锌同位素分析的应用前沿拓展至中生代，实证了该技术用于重建深至9000万年前的食物网动态和营养相互作用的可行性。它为我们打开了一扇新的窗口，得以窥见那些早已消失的远古海洋中生命的联结与竞争，为古生物学、进化生态学及地球系统科学的研究提供了强有力的新工具和新视角。