第93集 我國研究者在琥珀中的新發現

2020-12-03 中國數字科技館

相信喜歡看科幻冒險電影的人,一定都看過《侏羅紀公園》。這個影片主要講述了哈蒙德博士召集大批科學家利用琥珀裡面困住的遠古蚊子體內的血液,提取出恐龍的基因信息,並利用這些信息培育繁殖恐龍,最終將已絕跡6500萬年的史前龐然大物復生,使整個努布拉島成為恐龍的樂園,就是所說的「侏羅紀公園」。然而卻導致了一連串的悲劇……

仔細想想,電影裡的這種場景真的會發生在現實生活當中嗎?

25年前,美國作家麥可·克萊頓在小說《侏羅紀公園》裡想像,科學家在琥珀保存的蚊子體內找到了恐龍血的殘跡。當然,這只是在科幻小說裡的場景,並不是現實當中的真實寫照。不過你也不必為此感到失望,因為現在,在現實的科學世界裡,我們有了比小說裡更好的發現。在2016年的6月29日,一項由中國和加拿大兩國領銜的跨國合作研究誕生,他們宣布在琥珀中發現了恐龍時代的古鳥類,距今大約9900萬年。

中國北京地質大學的邢立達博士表示,我從來沒有奢望過我們能在琥珀裡發現白堊紀的鳥類——獸腳類恐龍的後裔,但是它們就真真切切地出現在你面前,我才意識到這是人類首次有機會看到真實的古鳥類。這兩件標本來自著名琥珀產區緬甸北部克欽邦胡康河谷,包括兩個鳥類翅膀和部分軟組織,除此之外,還保存了一些已滅絕的遠古昆蟲,這些也是作為化石真實性最為直接的證據。加拿大薩斯喀徹溫省皇家博物館的瑞安·麥凱勒教授介紹:標本來自白堊紀中期諾曼森階,我們將其稱之為「天使之翼」與「羅斯」標本,標本非常小,天使之翼展開後為18毫米,而羅斯只有12毫米,這極小的尺寸、骨骼的發育情況、各指的比例,都表明標本為早熟性的幼鳥。

其實,經過幾十年研究,恐龍時代古鳥類化石已經不再是難得一見的場景。但是絕大部分化石只能保存硬質結構,也就是鳥類的骨骼,這些化石雖然十分有用,但終歸缺失了皮膚和羽毛等軟組織的重要信息。還有少部分化石,比如中國遼寧等地的白堊紀化石,保存在非常細膩的沉積巖中,軟組織在巖石上留下了精細的印痕,雖然保存了大量重要細節,但這也只是組織的印痕而非動物本身。像今天這樣,直接在琥珀中找到古鳥類軟組織,還真的是第一次。

想要知道發現完整的古鳥類化石來之不易的原因,我們就必須得了解,琥珀裡究竟都能保存些什麼。要知道,琥珀是樹脂經地質作用所形成的化石。「樹脂」指的是部分植物專門分泌出來對抗捕食者和病原體的萜類化學物質,不是割開樹皮就能流出來的樹汁,這裡的「樹汁」是指植物體內輸送營養的液體,大部分還是水。當萜類化學物質——樹脂流出之後,除了失去揮發性物質並硬化之外,它還會逐漸發生交聯、聚合和環化等一系列反應,最終成為化石。

因為樹脂粘度非常高,所以沿樹流下的時候很容易裹挾上小動物和植物葉片。但是,更重要的是,樹脂能夠讓被包裹的組織快速脫水,從而極大地抑制了細菌和真菌對生物屍體的分解。一些保存非常精美的琥珀化石甚至能留存亞細胞結構,能夠觀察到細胞核、線粒體和葉綠體的存在。但是,保存了結構卻不意味著保存了分子本身。一件化石可以在看起來完全保持了骨骼結構的同時,卻擁有和骨骼毫無相似之處的化學成分。生物遺體變成化石所需要經歷的時間十分漫長,而且在這個過程中會和各種各樣其他物質接觸,其原本的成分幾乎肯定會被更加穩定的物質取代,最終獲得的化石僅僅在外形上和原物一樣,分子則基本全都變成了石頭。

不過琥珀並不是普通化石,樹脂基本隔絕了它和外部的接觸,那麼,它能逃過這一劫嗎?在20世紀80年代,有多個實驗室發表結果認為能從琥珀中提取出DNA,一時間引人無限遐想。克萊頓的《侏羅紀公園》正是受到了這些結果的啟發。不過讓人遺憾的是,這些結果後來都無法成功復現,仔細檢查發現獲得的DNA幾乎都是現代的,而且是汙染產物。如今,科學家認為,那些結果是早期聚合酶鏈式反應缺陷所導致的。聚合酶鏈式反應是一種用於放大擴增特定的DNA片段的分子生物學技術,它可看作是生物體外的特殊DNA複製。它最大的特點,就是能將微量的DNA大幅增加。因此,無論是化石中的古生物、歷史人物的殘骸,還是幾十年前兇殺案中兇手所遺留的毛髮、皮膚或血液,只要能分離出一丁點的DNA,就能用這種技術加以放大,進行比對。所以說,如果有DNA倖存,那也肯定斷裂成短鏈了,但是早期擴增DNA嚴重偏向長鏈,只需痕量[hén liàng]長鏈DNA汙染就會導致假結果,改進技術之後的檢測都找不到任何東西。

而進一步的研究發現,就算是木質素、纖維素和幾丁質這樣結實的大分子,在琥珀中也只能存在幾萬年幾十萬年。對於2500萬年以上的多米尼加琥珀的研究表明,最結實的大分子經歷如此漫長時間也已經面目全非。琥珀堅硬的外殼能夠阻止生物組織坍塌、破壞結構,但是樹脂分子本身依然可以和生物分子藉助硫基團發生各種反應。

邢立達博士認為,緬甸琥珀標本的年齡近1億年,即便使用超高靈敏新一代DNA測序技術也幾乎沒有什麼可能獲得有價值的DNA片段,因此電影《侏羅紀公園》中恐龍場景目前依舊只能留在科幻裡。也就是說,想依靠琥珀復活遠古生物是不可能了——但是這不妨礙人們從中獲得前所未有的精密結構細節。

科學家由此進行了更加精細的研究,他們根據骨骼來判斷,這兩件標本屬於鳥綱下的「反鳥類」。這個類群之所以要如此命名,是因為它的肩帶骨骼關節組合與今天的鳥類正好相反。它們誕生在白堊紀,曾經一度繁盛,覆蓋全球。例如,遼西地區大量白堊紀鳥類化石都是反鳥亞綱成員,但是反鳥類終究在白堊紀末期面臨了和恐龍一樣的滅絕命運。而與之相對的「今鳥類」則存續下來,並演化成了今天我們所見到的所有鳥類。英國布裡斯託大學的麥可·本頓院士介紹,這些反鳥類幼鳥標本已經具有了現代鳥類的羽毛類型,這讓我們得以從細微的角度觀察到反鳥類幼鳥的羽毛生長方式,鳥翼骨骼形態,以及羽囊、羽區和裸區等,這些細節都是前所未見的。

兩件標本目前暫時歸屬於同一物種,這一物種的尺寸很小,骨骼發育也不完全,因此它們都是幼鳥。但是它們的羽毛又已經發育到相當晚期的程度,初級飛羽和次級飛羽都已經十分明顯。由此判斷,它們應當是早成鳥:類似於今天的家雞,出殼之後不久就能自主活動和覓食,而不需要留在巢窩中接受親鳥餵養。

臺北市立大學運動能力分析實驗室的曾國維教授說:「『天使之翼』標本中的雙向爪痕,標本四周的大量腐敗物,以及裸區暴露出的皂化外觀,都表明標本至少在被樹脂部分包裹時還依然活著,其大部分腐敗過程在無氧環境中發生。而『羅斯』標本則沒有這些特徵,說明它很可能來自一具屍體,在其接觸樹脂前就已經完全腐敗。琥珀內沒有大量腐敗物和掙扎痕跡也可能是某種行為學的結果:掠食者撕下了鳥的翅膀,但沒有食用,而是將它丟棄。」

我國中科院古脊椎所的徐星研究員認為,標本雖小,但是卻極為難得。標本表明反鳥類似乎已具有現生鳥類的大部分羽毛類型,在羽毛的排列方式、顏色和微結構上都非常相似。這是我們首次在如此大規模的細節上去了解反鳥類。

雖然這些琥珀不能用作復活之用,但是依然有巨大的進一步研究空間。邢立達博士透露,除了此次發表的兩件鳥類化石,同批琥珀還有一批其他脊椎動物標本正在研究中。最終我們會看到一個非常多樣化的東南亞白堊紀中期脊椎動物群,這將是一個極其美妙的未來。

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