《誰讓恐龍有了羽毛?》

醒報編輯 2022/09/06 19:45 點閱 2157 次

四十年來,透過更先進的挖掘技術、更高倍數的顯微鏡,以及更強的化石解讀能力,世人所理解的恐龍不再是一隻隻放大版的蜥蜴,而是一個或長有羽毛,或行動敏捷的大類群,古生物學也終於從自然史與推測,發展為可驗證的科學,也使得那些過去認為「因為恐龍已滅絕許久,所以永遠不可能知道」的真相,得以用精確事實的姿態呈現在你我面前。

本書藉由其獨樹一幟的敘事風格,將上個世紀有關恐龍溫血冷血與否、飛翔與否、運動快速與否等世紀爭辯等各項議題,由始至末的詳細交代,並點出未來古生物學發展的走向。

真的有過侏羅紀公園那樣的盛況嗎?有人曾鑑定出恐龍的DNA嗎?植入DNA和製造恐龍的技術問題肯定非常棘手,但沒有什麼人會駁斥將來有一天我們可能會回復恐龍DNA的想法。

取得古代DNA

一九九二年,勞爾.卡諾(Raúl Cano)和他在西海岸大學的同事引起了一陣轟動。他們宣布已經從蜜蜂化石中抽取出DNA,這個蜜蜂化石保存在加勒比海多明尼加共和國的琥珀中,年代為四千萬年前。

這當然不會是恐龍的,但取得任何古代DNA都是一個開始。一年後,卡諾及其同事透露,他們還從多明尼加琥珀中抽取到一種植物的DNA,更驚人是,他們還從保存在黎巴嫩琥珀中的象鼻蟲中抽到DNA,其歷史可追溯至一億兩千萬到一億三千五百萬年前。

抽取琥珀中的DNA

在1990年代,從琥珀中的化石中抽取有機分子蔚為風潮,其他的實驗室也相繼宣布從多明尼加琥珀中的白蟻和黎巴嫩琥珀中的甲蟲中順利抽到DNA。在1994年,爆出了重量級的消息。一篇發表在《科學》(Science)上的文章,宣布找到了恐龍DNA。《新科學家》(New Scientist)當時報導了這一發現:

猶他州楊百翰大學(Brigham Young University)的科學家從煤礦中取回的恐龍骨骼中發現了一些祕密。史考特.伍德沃德(Scott Woodward)和他的團隊已經從中抽取了一小段恐龍的DNA,儘管他們離克萊頓筆下的《侏羅紀公園》中描繪的復活完整生物的距離還很漫長。

虛驚一場

伍德沃德和他的團隊在一年的實驗中從九個樣本中抽取了DNA,但成功率只有百分之一點八。文章中還提到,「這個DNA來自猶他州的一處煤礦中發現的兩塊尚未化石化的骨骼,地層年代為八千萬年前。儘管尚未鑑定出這些骨骼的史前主人,但它們的大小和位置讓伍德沃德「確信這些是恐龍的骨骼」。

然而,不到一年,整個故事就完全翻盤。那個「恐龍DNA」實際上是人類的。在早期的實驗中,作者沒有採取足夠的預防措施來避免實驗汙染的風險。PCR的一個關鍵特性是它可以從非常少量的樣本中複製出多個DNA副本,事實上,只要實驗室技術人員的一滴汗水或一個被噴嚏汙染到的樣本,就可能毀掉整個研究。

實驗汙染風險高

從1990年代開始,在測量化石中的遠古分子,尤其是遠古DNA時,就已經發現有汙染樣本的風險。評論者指出,汙染的風險不僅來自人類DNA,還有現代動物的DNA。事實上,在早期的植物和昆蟲DNA的研究中,其風險在於進行化石樣本分析的實驗室,通常也在處理這些化石物種現代親戚的DNA。因此,從白堊紀象鼻蟲或琥珀中的白蟻抽取的DNA很容易受到現代同類生物的DNA所汙染。

自1990年代以來,研究古代DNA實驗室的技術有了巨大進步,可以排除所有的汙染風險。他們採取的嚴格措施有:(1)進入實驗室的每個人都必須脫掉外衣,換上乾淨的衣服,穿戴頭罩和口罩,避免技術人員的飛沫或頭髮汙染樣品;(2)所有古代DNA都集中在一實驗室研究,現代DNA則在別處研究,避免任何汙染的風險;(3)在另一間實驗室重複所有的分析,以確保找出任何汙染源;(4)處理古老DNA的實驗室每晚都要以紫外線進行全面消毒,將任何生物,無論是蒼蠅還是細菌,全都殺死。

有機分子能保存在化石中嗎?

這些預防措施應當可排除樣本遭汙染的風險,但DNA分子到底能存在多久?倫敦的生物化學家托馬斯.林達爾指出,DNA會在幾天、幾個月或幾年內分解。所以,在正常情況下,一百年後不會留下多少DNA,更不用說是一億年了。

日後的研究顯示,有可能從博物館藏品中近期滅絕動物的皮膚和骨骼中抽取DNA,例如來自南部非洲的斑驢標本,這是一種約在一百年前滅絕的生物,外表近似於馬,或是在1681年之前滅絕的渡渡鳥。接著,又進一步推回到五千年前古埃及時代的木乃伊,乃至於一萬年前的猛獁象,最後,在2013年,從一匹七十萬年前的化石馬身上也抽取到DNA。

恢復DNA機率微乎其微

這個馬的樣本比所有其他的樣本都要來得古老,而且其DNA已經碎裂成許多短序列。事實上,即使在僅有一百年的斑驢樣本中,DNA也已大量分解,因此在資料的解釋上變得非常棘手。一旦片段少於十個鹼基對,要重建原始DNA序列的可能性幾乎微乎其微。

唯一的解決方案是使用大量電腦資源來運算所有可能的組合,直到出現合理的序列為止。就此看來,實際上不太可能恢復任何恐龍的DNA,或者說復原任何超過一百萬年的DNA,更不用說是一億年前的。

易分解的DNA分子

在經過這些努力後,顯然可以得知DNA並不是一種強韌的分子。事實上,化學家已經確定出一系列有機分子的強韌度,從可以承受高壓高熱的分子一直排到在最輕微的擾動下就會分解的分子。

在化石化的過程中,大多數生物組織在死後很快就會分解;然後在空氣、土壤或水中腐爛,可能會有動物來吃掉遺骸上的肉,細菌則會進一步加以分解。只有在極少數情況下,骨架內外的皮、肌肉和內臟不會很快分解,這通常是因為受到水和沉積物覆蓋,而且環境缺乏氧氣。在這種情況下,生物分子可能會被掩埋,但它們還得經過高壓和高溫的考驗,在這之後,大多數都會消失,或者變得無法識別。

化學的細部特徵

木質素(lignin)、幾丁質(chitin)和黑色素是少數能留存下來的分子。木質素是構成樹木內部木材的結構分子,可以保存數億年。幾丁質也是如此,這是構成節肢動物堅硬角質層的一種碳水化合物。

最後,黑色素是一種通常呈現黑色或深棕色的色素,存在於羽毛和毛髮(還有深色皮膚和雀斑中)以及眼睛的視網膜、魷魚的墨汁,肝臟和脾臟周圍以及腦膜中。正是由於黑色素具有歷久彌新的特性,我們才得以確定化石鳥類和恐龍羽毛的顏色。

幾丁質和黑色素的實驗顯示出這些複雜分子的結構會隨著壓力和溫度升高而變化,而且在古代化石中所找到的也確實展現出與這些實驗樣本相同的化學細部特徵。

別夢想找古老的DNA

以DNA等生物分子進行類似的實驗時,不出所料它們完全分解,在化石化實驗後,沒有留下任何可識別的東西。因此,任何有機化學家可能都會說,如果你想找古老的有機分子,那就去找木質素、幾丁質和黑色素的樣本,而不要夢想找到古老的DNA。

然而,還是繼續有這類文章發表,宣稱找到了長期保存下來的恐龍血液。有趣的是,在本書即將出版之際,新的研究顯示我的懷疑部分是對的,但有部分是錯誤的。

取出蛋白質和血液

體認到DNA不能持續存在幾千年,讓大家失望不已。因此,那些聲稱找到數百萬年前昆蟲、植物和細菌DNA的投稿文章,最後全都被學術期刊拒絕。

然而,要是恐龍化石中存在有其他種類的蛋白質呢?好比說骨骼中特定的蛋白質?1997年發表了一篇發現恐龍血跡的文章,又為大家帶來新希望。由瑪麗.史懷哲(Mary Schweitzer)領導的蒙大拿州立大學的研究團隊表示,他們已經從保存完好的暴龍骨骼中抽取出蛋白質和血液化合物。

若真是如此,這將使我們對恐龍的生理學有更進一步的認識—它們的血紅蛋白結構可能會提供攜氧能力的線索,解決恐龍是否為溫血動物的爭議。

尋找古代蛋白質

瑪麗.史懷哲因為受到一具保存異常完好的暴龍骨架所啟發,展開尋找古代蛋白質的探尋。「就某些方面來看,它幾乎與現代骨骼相同,並沒有受到礦物質的填充,」她說。外面一層緻密的骨層似乎阻止了水分進入,所以內部的骨骼看來和新鮮的一樣。史懷哲鑑定出這些內部區域的蛋白質和可能的DNA。她這樣描述當時的興奮之情:

實驗室裡充滿了驚奇的低語聲,因為我注意到血管內有一些我們以前從未注意到的東西:微小的圓形物體,呈半透明的紅色,中間則是黑色的。然後一位同事過來看了看,大喊道:「你找到紅血球。你找到紅血球了!這看起來就跟一塊現代骨骼一樣。但是,當然,我無法相信。我問實驗室的技術員:「這骨骼畢竟有六千五百萬年的歷史。紅血球怎麼可能保存那麼久?」

骨骼中的血紅素

然後我們對這根可能含有紅血球的骨骼進行測試。骨骼中似乎確實含有血紅素,這是血液中的血紅蛋白分子上負責攜帶氧氣的那部分。血紅素呈紅色,這也是血液呈紅色的原因,因為這當中富含鐵,在與氧氣結合時就會呈現紅色,這有點類似鐵生鏽時會出現顏色變化的原理。

然而,許多其他科學家質疑這些報告,並認為骨骼中富含鐵的痕跡與血液或血液製品無關,可能只是這動物在遭到掩埋很長時間後進入骨骼的鐵質。

溶解骨骼

在受到許多評論後,瑪麗.史懷哲和她的團隊在2005年又在《科學》雜誌上發表了一篇後續文章,題為「暴龍的軟組織血管和細胞保存」(Soft-tissue vessels and cellular preservation in Tyrannosaurus rex)。

她的團隊溶解掉一些四肢部位堅硬骨骼的磷酸鈣,留下了由狹窄的血管組成的殘留物,其中包含可以擠出的圓形物體。脫礦後的骨骼基質是纖維狀的,並保留了一些原始彈性—在一根將近有七千萬年的化石上,這是非常驚人的。後來針對相同材料的研究中,團隊進行了一系列生化測試,試圖證明這些彈性纖維線是由膠原蛋白組成,就像在原始骨骼中那樣。

骨骼通常由兩種主要材料組成:磷灰石礦化針,這是一種磷酸鈣,會嵌入在纖維性的膠原蛋白中。正是這種彈性蛋白質和硬礦物質的結合,賦予活體骨骼有趣的特性,讓骨骼能夠彎曲(在某個角度範圍內),但彎太大還是會脆裂折斷。在沒有磷灰石晶體的地方,膠原蛋白形成軟骨,這種柔軟的材料讓我們的耳朵和鼻子變硬,也是鯊魚骨骼的主要成分。

研究真實性

在2008年,托馬斯.凱耶(Thomas Kaye)及其同僚將重新解釋所有這些化石發現,指出這全是人為因素所造成的。他們說,這個疑似血管的構造可能是細菌膜,而所謂的紅血球只是黃鐵礦晶體,是一種硫化鐵礦物。瑪麗.史懷哲對這些批評並不買單,2015年,她的研究似乎得到了另一個研究團隊的證實,他們表示從八塊白堊紀時代的恐龍骨骼中取得膠原蛋白和紅血球。

到了2017年,又有一篇文章發表,曼徹斯特的麥克.巴克萊(Michael Buckley)及其同事顯示,這些暴龍的膠原蛋白主要是由實驗室汙染物、土壤細菌以及鳥類血紅蛋白和膠原蛋白所組成的。

他們特別指出,那個所謂的恐龍蛋白質與現代鴕鳥的序列相吻合—這是很容易出錯的地方,若是在分析化石材料的實驗室中,也處理這些現代生物的樣本,就會出現這樣的錯誤。

恐龍的蛋白質

在2018年的一篇論文中,耶魯大學的博士生亞斯米娜.偉曼恩(Jasmina Wiemann)帶領的小組再次研究了那些去除所有礦物質後的化石骨骼中的血管和其他褐色物質。

她進行了一連串複雜的測試,發現這些血管和組織都是真的,但其組成已經不是最初的蛋白質,可能只有膠原蛋白還保持原樣。其他的成分都已腐爛,轉變成另一種形式,稱為N-雜環聚合物(N-heterocyclic polymers)—所以事實上,瑪麗.史懷哲是對的,她發現的確實是血管、皮膚細胞和神經末梢的一部分,只是在化石化的過程中,蛋白質發生本質上的轉變。

恐龍的骨鈣素

原始的膠原蛋白有可能被保存下來,但處理時必須格外小心,確保它沒有受到汙染。在1992年,荷蘭研究人員傑哈德.麥瑟(Gerard Muyzer)從兩隻白堊紀恐龍的骨骼中找到另一種骨蛋白,稱為骨鈣素(osteocalcin)。骨鈣素存在於所有脊椎動物的骨骼中,其作用類似於荷爾蒙,可以刺激骨骼修復以及其他生理功能。

骨鈣素是一種堅韌的蛋白質,可以非常牢固地與骨礦物質結合,正是因為如此,似乎可以逃過腐化的命運。它也是一種相對較小的蛋白質,由大約五十個胺基酸組成。在2002年,曾經為一隻五萬五千年前的野牛化石的骨鈣素分子進行完整定序。也許有一天,我們也可以幫恐龍的骨鈣素定序。

判別恐龍的性別

長久以來古生物學家一直認為,恐龍具有雌雄二形性,也就是兩性的外觀不同。在過去,有人曾認為晚白堊世長角的角龍類和長冠的鴨龍類這些植食性動物是如此,牠們的骨架組成大同小異,只是頭上頂著的冠或角不同。

但若根據這種說法,奇怪的案例就出現了:所有的雄性會在一個時期都生活在一個地方,而所有的雌性,也就是頭骨稍微有些差異的個體,則碰巧在另一個時期生活在另一個地方。這個例子讓假設完全無法成立!近來恐龍的雌雄二型性成為古生物學家們的焦點。 (昀恬/輯)

(單)《誰讓恐龍有了羽毛?》
作者:麥可.班頓(古生物學家)
出版社:臉譜

其他書訊: 
《基因巨擘的科學人生》
作者:Lewis Wolpert
出版社:國立臺灣大學出版中心
西德尼.布瑞納(Sydney Brenner,1927-2019)是2002年諾貝爾生醫獎的獲獎者。他參與解開基因編碼、證明訊息核糖核酸(mRNA)的存在、線蟲的全基因體解析等重大生物學事件,同時建立發育遺傳學的「線蟲模型」,對多細胞生物的「細胞命運」(cell fate)研究,打下至為關鍵的基礎。

多位重量級之生物學家甚至認為,布瑞納這些突破性的發現與創見,使其足可與孟德爾、達爾文等人並列,可被譽為史上最偉大的生物學家之一。

《找到人生方向的一頁夢想地圖》
作者:柳時泉(朝鮮大學設計研究所所長暨美術體育大學校長)
出版社:采實文化
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《0基礎也會煮》
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