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形式發表在《原子光譜學》(Atomic Spectroscopy)上,地質地球所李金華研究員為論文第一作者,古脊椎所副研究員裴睿為論文共同第一作者,研究員徐星為論文通訊作者。
1895年,德國物理學家倫琴(Wilhelm Rontgen)用一種穿透力很強的射線,為夫人拍下了人類第一張手部骨骼的照片,他把這種光命名為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(SLAC)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SLAC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。過去十年,伯格曼和沃格裡烏斯帶領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,也為了解這些鳥類生活習性及其埋藏環境提供信息。近年來,法國和中國等國家的多個古生物研究團隊也加入該研究行列。
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,這對一些尺寸超過三四十釐米且特別珍貴的古生物化石標本是一個難題,長距離運輸和進出海關手續辦理困難重重。此外,針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數量少,測試機會難以獲得。
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,目前由大連星海古生物化石博物館收藏。2016年,徐星帶領的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(Xu et al., 2017 Nat Commun 8, 14972 (2017). https://doi.org/10.1038/ncomms14972)。
為進一步了解以滕氏嘉年華龍為代表的熱河生物群恐龍和鳥類化石,2018年12月,國家古生物化石專家委員會和大連星海古生物化石博物館發起並組建了一支包括古脊椎所、地質地球所、德國科學院和加拿大同步輻射中心等多個國內外研究單位在內的專家隊伍,通過採用大面積微聚焦X射線螢光光譜技術,對滕氏嘉年華龍開展了系統研究。
經過長達6天的連續掃描及後續精細的數據處理,研究發現:(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)化石羽毛部位富含Ti、Cu、Mn和Ni元素,可能指示了羽毛原始化學成分(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一些礦物選擇性原位沉積。(3)在埋藏和保存過程,化石機械損傷更容易造成骨骼中Ca、P和S元素流失,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。
研究首次將微聚焦X射線螢光光譜儀移入博物館,通過搭建一個原位實驗室,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,為不能或不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,提供了研究範例。同時,該研究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,既獲得了有關該化石骨骼、爪鞘和軟組織(尤其是羽毛)及其圍巖的化學組成信息,又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了基礎。
論文連結
圖1. 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)
圖2. 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
圖3. 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)
圖4. 滕氏嘉年華龍(整體)及其化學元素分布圖
圖5. 滕氏嘉年華龍尾部骨骼及其羽毛組織的化學元素分布圖
圖6. 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
圖7. 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