恐龍化石首張大面積微聚焦
X射線螢光元素分布圖
對動、植物化石形態結構的研究，可以獲得古代生命演化的重要信息，是古生物學研究的最重要途徑之一。近年來，隨著顯微譜學技術的快速發展及其在地球科學中的拓展應用，對古生物化石同時開展形態結構和化學成分研究，既能獲得更全面的生物學信息，又能獲得化石骨骼和軟組織（例如羽毛等）及其圍巖的「原始化學組成和埋藏環境」等相關信息。
近日，中國科學院古脊椎動物與古人類研究所、地質與地球物理研究所與大連星海古生物化石博物館合作，採用大面積微聚焦X射線螢光光譜技術，對一具長度超過1米的帶羽毛恐龍化石標本-滕氏嘉年華龍（Jianianhualong tengi），開展了整體無損的立體掃描，獲得第一幅大面積微米解析度的恐龍骨骼、組織（包括羽毛）和圍巖的化學元素分布全景圖像。相關研究成果以封面文章的形式發表在國際專業期刊《原子光譜學》（Atomic Spectroscopy）上，地質與地球物理研究所的李金華研究員為論文第一作者，古脊椎動物與古人類研究所的裴睿副研究員為論文共同第一作者，徐星研究員為論文通訊作者。
首張大面積微米解析度恐龍化石X射線螢光元素分布圖（藝術圖）
1895年，德國物理學家倫琴（Wilhelm R ntgen）用一種穿透力很強的射線，為自己的夫人拍下了人類第一張手部骨骼的照片，他把這種神秘的光命名為X-射線，自此開啟了醫學影像和X-射線結晶學的革命。1947年，一種「高亮度、高準直性」的X射線，在美國通用電氣公司的電子同步加速器中被首次觀察到，因而得名「同步輻射」。20年後，這種最初不受高能物理學家歡迎的同步輻射光源，開始受到實驗物理學家的青睞，被用來開展其它光源無法實現的許多前沿科學研究。
2009年，美國斯坦福同步輻射光源（SSRF）的實驗室科學家尤.伯格曼（Uwe Bergmann）與英國曼徹斯特大學的地球化學教授羅伊·沃格裡烏斯（Roy A Wogelius）合作，利用SSRF的同步輻射快速掃描X射線螢光技術（SRS-XRF），對發現自德國索倫霍芬的始祖鳥化石進行初步研究，獲得了微米解析度的元素分布圖，從而開啟了利用同步輻射光源，對珍貴的鳥類和恐龍等化石標本開展無損和原位研究的序幕。
過去的十年，伯格曼和沃格裡烏斯帶領的研究團隊，陸續利用同步輻射X射線相關技術，對包括始祖鳥、聖賢孔子鳥和玉門甘肅鳥等化石開展更深入研究，通過辨別這些化石骨骼和軟體組織（尤其是羽毛）的特徵化學元素，在微觀層面深入分析羽毛化石保存的生物學信息，為古代生命的生物化學研究打開一扇窗，也為了解這些鳥類的生活習性及其埋藏環境提供信息。近年來，來自法國和中國等國家的多個古生物研究團隊，也加入了該研究行列。
同步輻射光源為珍貴古生物化石樣品研究提供了一種「快速、高效、無損」的形貌和化學研究途徑。然而，開展同步輻射分析需要將樣品運送到相應的同步輻射實驗室，這對一些尺寸較小的樣品（比如尺寸小於十幾釐米）不是問題，然而對於一些尺寸超過三四十釐米、且特別珍貴（通常還有可能屬於國家保護級別的）的古生物化石標本，長距離運輸和辦理進出海關相關手續都是難以想像的。此外，目前能對幾十釐米大小樣品開展原位、無損分析的同步輻射實驗室為數不多，測試機會難以獲得。
伯格曼與沃格裡烏斯首次將同步輻射技術用到始祖鳥化石的「原位、無損、高解析度」化學成像研究
滕氏嘉年華龍是一種生活在距今約1.25億年早白堊世熱河生物群中的帶羽毛的恐龍。2016年，徐星研究員領導的一個國際研究團隊研究發現，滕氏嘉年華龍具有較長的尾部和強壯的後肢, 具有四翼恐龍和鳥類不對稱羽毛特徵，是首個被報導具有不對稱羽毛印痕的傷齒龍類。滕氏嘉年華龍的發現，進一步完善了研究者對於鳥類起源和早期演化的認知
(Xuetal.,2017NatCommun8,14972(2017).
https://doi.org/10.1038/ncomms14972）。
為了進一步了解滕氏嘉年華龍為代表的的熱河生物群恐龍和鳥類化石，2018年12月，由中國科學院古脊椎動物與古人類研究所、中國科學院地質與地球物理研究所、德國科學院和加拿大同步輻射中心等國內外多家研究單位的專家隊伍，採用大面積微聚焦X 射線螢光光譜技術 ，對滕氏嘉年華龍開展了系統研究。
滕氏嘉年華龍微聚焦X 射線螢光光譜掃描研究現場
（大連星海古生物化石博物館）
通過長達6天的連續掃描及後續精細的數據處理，該研究獲得了如下結果：
1）化石的圍巖由K、Fe、Ti、Ca、Al和Si等元素組成，指示其為凝灰巖。化石骨骼富含Ca、P和S，表明化石化骨骼保存仍以磷灰石為主。與圍巖相比，化石骨骼部分富含Sr、Th、Y和Ce等元素，指示了磷灰石骨骼對這些元素的選擇性吸附作用。
2）化石的羽毛部位富含Ti、Cu、Mn和Ni元素，可能指示了羽毛的原始化學成分（比如Cu元素的存在可能指示羽毛含有黑色素體），或指示埋藏過程中由於羽毛軟組織的降解過程造成了一些礦物的選擇性原位沉積。
3）在埋藏和保存過程，化石的機械損傷更容易造成骨骼中Ca、P和S元素的流失，然而骨骼中吸附的Sr、Th、Y和Ce元素則相對穩定。同時由於圍巖這些元素的含量相對低，採用Sr和Th的元素成像，能獲得邊界更清楚、對比度更好的化石骨骼圖像。
4）化石的骨質爪和爪鞘各結構均富含Ca和P，然而二者相比，骨質爪的Sr、Th、Y和Ce明顯比爪鞘部位偏高，表明骨質爪和角質爪鞘在化石化過程中存在差異。
滕氏嘉年華龍（整體）及其化學元素分布圖
滕氏嘉年華龍尾部骨骼及其羽毛組織的化學元素分布圖
嘉年華龍頭骨、後腿和腰帶部位的Ca和Sr元素分布圖。
箭頭指示部位為骨骼損傷造成Ca元素的流失。
滕氏嘉年華龍前爪部位的化學元素分布圖。
注意：恐龍化石的骨質爪與爪鞘化學成分不同。
本研究首次將微聚焦X射線螢光光譜儀移入博物館，搭建了一個原位實驗室，對「大尺寸且珍貴」的恐龍化石，實現了「原位、大面積、高解析度和無損」的化學元素成像分析，為不能或者不容易移動到同步輻射實驗室開展X射線螢光光譜學研究的同類樣品，提供了一個研究範例。同時，該研究也首次獲得了滕氏嘉年華龍化石的一整套微米解析度的元素分布圖，既得到了有關該化石骨骼、爪鞘和軟組織（特別是羽毛）及其圍巖的化學組成信息，為進一步選定重點區域，開展「微創」取樣，進入後續更高精度的分析奠定基礎。
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作者：李金華 裴睿 徐星
校審：侯偉鴻
編輯：肖 瀟
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