只因小朋友偏愛暴龍，生物進化的歷程可能都被搞錯！

出品：科普中國

(資料圖片僅供參考)

作者：葉山（威斯康辛大學麥迪遜分校地球科學博士）

恐龍早已在6600萬年前銷聲匿跡，但在電影、漫畫和科幻小說的推動下，一輪又一輪的“恐龍熱”在全世界經久不衰。恐龍的種類有很多，每個喜歡恐龍的人可能都有自己的最愛。有人對美國和加拿大的中小學生做過一次粗略的調查，發現最受當地小朋友們喜歡的恐龍是兇猛的暴龍科恐龍。

（圖片來源：Veer圖庫）

不過你知道嗎？小朋友們對暴龍科化石的喜愛，可能影響到了科學家們對恐龍多樣性變化的研究……

看到這兒，你可能認為這篇文章講述的是古生物學問題，那可就大錯特錯了，其實，這是個統計學問題，具體為何，且聽我慢慢道來。

古生物研究中存在的統計學概念：抽樣偏差

研究古生物的多樣性，是古生物學家的一項重要任務，它能幫助我們了解生物進化的歷程。

1860年，英國的約翰·菲利普斯完成了一項“壯舉”，他匯總了當時全球已知的所有化石，統計了每一種化石的年代信息和古生物種類，然后繪制了一條反映整個顯生宙（5.41億年前至今）期間古生物多樣性變化的曲線。

約翰·菲利普斯多樣性曲線

（圖片來源：作者自制）

他發現生物在顯生宙期間的進化并不是一帆風順的，中間經歷了兩次大的波折。這兩次回落把顯生宙的進化歷史切成了三段。根據曼特爾（最早發現恐龍的人）的建議，菲利普斯給這三個階段分別起名為古生代、中生代和新生代。

繼菲利普斯的這項開創性工作之后，又有許多人進行過類似的嘗試。隨著全球出土的化石數量越來越多，這條曲線也變得越來越詳細。1984年，美國芝加哥大學的戴維·勞普和杰克·塞普科斯基匯總了全球范圍的海洋化石數據，用更高的分辨率重新繪制了一條貫穿顯生宙的海洋生物多樣性曲線。

杰克·塞普科斯基多樣性曲線

（圖片來源：作者自制）

在這條新曲線中，塞普科斯基發現了五次非常明顯的多樣性下降期，它們分別位于奧陶紀后期、泥盆紀后期、二疊紀末期、三疊紀末期以及白堊紀末期，這就是“五次生物大滅絕”。其他科學家對這項工作進行了驗證，都得到了相似的結果，所以五次大滅絕的概念很快就被廣泛接納了。

然而，隨著地球科學研究的繼續深入，新一代科學家逐漸對此提出了一些質疑：塞普科斯基等人的研究中可能存在統計學上的抽樣偏差現象。

會撒謊的統計學，你怕不怕？

統計學是一門應用范圍很廣的學科，無論是在自然科學領域，還是在社會經濟學領域，學者們都需要利用統計學的方法來處理數據，從而發現隱藏在數字背后的規律。

但是，統計學是一把雙刃劍，它能幫我們看透事情的本質，也能對我們撒下彌天大謊。馬克·吐溫曾經戲謔地說過：“世界上有三種謊言：謊言、該死的謊言和統計學。”只要你稍有不慎，就會被統計學的結果所蒙騙，從而謬以千里。

（圖片來源：Veer圖庫）

在諸多與統計學相關的“謊言”中，最常見的就是抽樣偏差了。抽樣偏差有很多種，包括以偏概全、健康工人偏差和幸存者偏差等。它們大多是由于樣本太小或抽樣不隨機導致的。

比如，有人以比爾·蓋茨沒有大學畢業為依據，大肆宣揚“讀書無用論”，這就是犯了以偏概全的毛病；有人想研究城市居民的體力狀況，于是選擇了該市的工人們作為研究對象，但卻沒考慮到工人的體魄本就好于大部分普通人，出現了“健康工人偏差”；還有人在已經啟動的列車上統計車票購買的情況，這屬于“幸存者偏差”，因為沒買到票的人根本上不了這班列車。

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蛤？古生物學也能跟抽樣偏差搭上邊？

沒錯，抽樣偏差現象也存在于古生物學的研究中。密爾沃基博物館的古生物學家彼得·希罕分析了不同年代的化石在空間上的分布情況。他發現，如果形成于某個地質年代的沉積巖大規模暴露在地表，那我們就更容易發現來自這個年代的古生物化石。

（圖片來源：Veer圖庫）

這其實很好理解。化石幾乎都是從沉積巖層里挖出來的，如果某個時期的沉積巖暴露在地表，那這個年代的化石就更容易被發現；相反，如果在地表根本找不到某個時期的沉積巖，再厲害的古生物學家也很難發現這個時代的化石。這就表明，地表沉積巖的多寡會影響古生物化石的采樣。

那么，是什么決定了不同年代地表沉積物的保存狀況呢？最大的控制因素是時間。

大家可以想象，當一組沉積巖層形成之后，它會經歷什么？風吹日曬、雨水侵蝕，甚至還會受到其他地質事件的破壞和剝削。所以，越古老的巖層，保存到現在的幾率就越小。一旦巖層被破壞，里面的化石就灰飛煙滅了，不會為我們所知。

經典的例子發生在美國西部。白堊紀中后期氣候炎熱，海平面遠高于現在。當時美國西部被海水淹沒，形成過一個陸間海。泛濫的海水侵蝕掉了白堊紀早期的地層。在美國西部的科羅拉多州和懷俄明州等地，形成于白堊紀早期的地層全都不見了。

美國西部在白堊紀前期環境良好，是恐龍的理想棲息地，但是因為地層的缺失，如今在那些地方很少能發現白堊紀早期的恐龍化石。從多樣性曲線看，當地在白堊紀早期出現了恐龍多樣性的低谷。難道說，美國西部的恐龍在白堊紀早期經歷過一次大滅絕嗎？并不是，這只是抽樣偏差在作祟。

抽樣偏差的影響還不止于此。根據地質學奠基人尼古拉斯·斯特諾提出的“疊覆律”，新形成的地層會覆蓋在舊有地層之上。因此，在不考慮后期地質事件影響的情況下，越古老的地層，通常被埋得越深。比起暴露在地表的沉積巖層，我們很難接觸到那些被深埋的巖層。即便這些被深埋的沉積巖層保存得很好，但對于化石的采集者來說，想從這些地下深處的巖層里獲取化石，仍然是很困難的。

（圖片來源：Veer圖庫）

綜合這些情況，我們可以得知，越古老的化石越難被發現，它們要么在地質史上早已被破壞，要么如今被深埋在我們無法觸及的地下。因此，越早期的地質年代，生物多樣性可能越被低估。

影響化石發掘的不止有時間，還有國境線……

除此之外，社會經濟學因素也會影響到古生物化石的抽樣。

我們假設在很久以前，有一片氣候適宜的大森林，里面生活著許許多多的古生物。它們死去之后，被埋葬在森林的各個角落，其中有的形成了化石。

日升月落、斗轉星移。幾千萬年后，這片森林早已不復存在，只留下了一組富含化石的地層。巧的是，一條國界線正好從這組地層中間穿過，國界線的一側是個發達國家，而另一側的國家則相對貧窮。

（圖片來源：Veer圖庫）

發達國家經濟繁榮，在這里工作的學者們得到了充沛的科研經費，能夠支持他們開展大規模的野外考察活動，所以分布在發達國家一側的化石紛紛被發現。當科學家繪制全球古生物多樣性曲線的時候，發達國家這一側的化石都被納入了考量。

但是在國界線的另一側，情況就不同了——這個國家相對貧窮，無法支持科學家進行野外考察活動，它境內的化石可能仍然被埋在地下，等待著被發現的那一天。原本在遠古時期是同一片森林，但因為人類對地域的劃分，不同區域的化石結局大不相同。最近的研究表明，如果全世界的化石采樣率都達到發達國家水平，我們至少還能新發現64萬枚化石。對于科學研究來說，這也是一種值得警惕的抽樣偏差。

小朋友：我愛暴龍~ 其他化石：不公平！

現在我們回到文章開頭提到的話題。科學家們復原北美洲恐龍多樣性曲線時，發現在白堊紀的坎帕期（約8300到7200萬年前），恐龍多樣性達到過一個峰值，然后逐漸下降，直到在6600萬年前的小行星撞擊事件中徹底滅絕。根據這條曲線，一部分科學家認為恐龍在白堊紀后期經歷了緩慢的滅絕過程，它們的生態鏈早就搖搖欲墜，而那次小行星撞擊只不過是壓死恐龍的最后一根稻草而已。

但另一部分科學家認為這條曲線不可信，因為它被抽樣偏差影響了。當年美國人在西部荒野上修筑鐵路時，剖開了不少的山體，那些山體中的地層恰好是形成于坎帕期的坎帕階地層。鐵路施工讓原本深埋地下的坎帕階地層暴露于地表，使得其中包含的化石更容易被發現。這對其他地層中的化石是不公平的，會導致抽樣偏差。

（圖片來源：Veer圖庫）

此外，因為小朋友們最喜愛暴龍科恐龍，各地博物館的館長們便遣人去重點尋找暴龍科的化石，以吸引更多的小游客。坎帕期生活著艾伯塔龍、懼龍、戈爾貢龍、恐齒龍等暴龍科恐龍，是暴龍科最多的年代，因此成為了重點挖掘對象，這些地層被反反復復地搜索過，在出土暴龍化石的同時，也順帶挖出了許多別的恐龍化石，這也導致了抽樣偏差。

因此，這部分科學家認為，多樣性曲線在坎帕期達到的峰值以及其后的緩慢下降趨勢，只不過是抽樣偏差導致的“假信號”。它并不能說明恐龍的多樣性在白堊紀末期經歷過一個長期的衰減過程。

結語

前文提到的例子提醒著我們，在古生物的研究中，抽樣偏差的陷阱無處不在。這個領域的科學家必須對此保持警惕，在使用統計學工具的時候要有縝密的思維和周全的考慮，否則會被統計學的表面結果“忽悠”到。

參考文獻：

【1】Chiarenza, A., et al. (2019) "Ecological niche modelling does not support climatically-driven dinosaur diversity decline before the mass extinction." Nature Communications

【2】Raja, N., et al. (2022) "Colonial history and global economics distort our understanding of deep-time biodiversity." Nature Ecology & Evolution

【3】Ye, S. and S.E. Peters. (2023) "Bedrock geological map predictions for Phanerozoic fossil occurrences." Paleobiology

（注：文中拉丁文部分應為斜體。）

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