【科幻科學報 No.558】恐龍之血─科幻科學報─智邦公益電子報
enews.url.com.tw · August 01,2017最ＩＮ話題 ■ 恐龍之血
▌文╱Mary H. Schweitzer
▌譯╱涂可欣
▌提供／科學人
當我透過顯微鏡，看到同事指出那薄薄化石切片裡的紅色小球時，簡直難以置信：在淺黃色的堅硬組織裡，有一條蜿蜒的血管，而那些微小的構造就位於血管中，每顆小紅球都有一個暗色核心，非常類似細胞核。事實上，這些球體看起來就像是爬行動物、鳥類等非哺乳類脊椎動物的血球（哺乳動物的紅血球沒有細胞核）。但是我對自己說，這些圓球不可能是細胞。這片骨骼切片來自一隻6700萬年前的霸王龍（Tyrannosaurus rex），那時才剛由美國蒙大拿州波茲曼的洛磯山博物館的團隊挖掘出土；所有人都知道，有機物質非常脆弱，不可能保存這麼久。
300多年來，古生物學家認為化石只能透露骨骼的大小和形狀。傳統觀點認為，動物死後環境條件若適合化石形成，周圍不活潑的礦物最終會取代所有的有機物質，像是細胞、組織、色素和蛋白質，留下全由礦物組成的骨骼。因此當我在1992年檢視著恐龍化石裡的深紅色構造時，其實正面對著「牢固的古生物學觀念也不一定是對」的跡象。只是在當時，我苦思不解：恐龍是非哺乳類脊椎動物，牠們的紅血球細胞應該有細胞核，而那紅色構造看起來也像是血球，但它們也有可能是來自我不知道的地質過程。
由於那時我還是美國蒙大拿州立大學的菜鳥研究生，研究恐龍骨骼微觀構造的經驗甚淺，於是我廣徵其他教授和研究生對這紅色構造的看法，這個消息傳到了世界恐龍權威、洛磯山博物館古生物學部門主任洪納（Jack Horner）的耳中。當他凝視顯微鏡下的物體時，眉頭緊鎖，不發一語，感覺像過了一個小時後，他抬起頭來看著我，皺眉問道：「你認為它們是什麼？」我回答我不知道，但是它們的大小、形狀和顏色，確實很像血球，而且出現的位置也符合。他哼了一聲：「那就證明它們不是。」這是個讓人難以抗拒的挑戰，而這種提出研究問題的方法到現在仍影響著我。
從那時起，我和同事在多個樣本中發現了各種有機的物質，包括血管、骨細胞、質地類似指甲的爪子碎片，這顯示化石中保存有軟組織的現象雖然並不常見，但也絕不是唯一的特例。這些發現不僅和教科書所描述的化石形成過程有差異，也讓我們對那些消失的生物有了全新的認識。例如我們從另一個霸王龍的骨骼看出，牠是一隻母恐龍，死亡時正準備產卵。又例如從一個蒙古出土的小型肉食恐龍旁發現的纖維蛋白質，證實這種恐龍有羽毛，而且從分子層次來看，還和鳥類的羽毛很像。這些都是過去單看骨骼形狀和大小無法得知的資訊。
我們的研究遭受到很多質疑，畢竟這是意料之外的發現，況且懷疑本是科學研究中合理的一環，我仍然覺得這些研究充滿驚奇和希望。研究來自恐龍的遠古有機物質將能讓我們獲得20年前難以想像的知識，並且更了解這些驚人生物的演化和滅絕過程。
看見最早的有機物質
如同俗諺所說，「不凡的主張需要不凡的證據」，謹慎的科學家在接受某個假說之前，一定會先試圖反駁。因此過去20年來，我用各種想得到的實驗，來驗證我們在恐龍和其他遠古動物化石裡發現的物質，究竟是否為軟組織。
就拿霸王龍骨骼中的紅色構造來說，我開始思考如果它們與血球或其組成物質有關（例如紅血球死亡時釋出的血紅素或血色素凝結物），它們只會保存在狀態絕佳的骨骼裡，儘管型態可能面目全非，但是在狀況差的化石裡，這些組織都會消失。在巨觀上情形明顯如此，那個幾近完整的霸王龍化石來自蒙大拿州東部，正式編號為MOR555，暱稱為「大麥克」。牠的許多骨骼很難得的保存了下來，在顯微鏡下檢查牠四肢骨骼的切片，可看到它們幾乎處於完整的狀態：大部份緻密骨骼中的血管仍是中空的，不像一般恐龍標本填滿了礦物質，而且那些紅色構造只出現在血管中，周圍骨骼和鄰近沉積都沒有，和真正血球出現的位置吻合。
我接著探討這些類似血球構造的化學成份。分析顯示它們富含鐵，而且只有這些紅色構造含鐵。不僅這些神秘小紅球的元素組成和緊鄰的中空管道不同，它們和掩埋恐龍的沉積物組成也大相逕庭。為了進一步測試紅色構造與血球的關聯，我檢查了樣本的血色素（heme）。血色素使得脊椎動物血液呈現鮮紅色，是負責將肺中氧氣運送到全身的微小含鐵分子。血色素在可調波長的雷射光刺激下，會產生特有的共振模式，而血色素的金屬核心則具有獨特的吸光模式。我們使用光譜儀測量骨骼樣本發出、吸收和散射的光，結果顯示在恐龍骨骼中確實含有特性與血紅素一致的化合物。
免疫反應是我們最具說服力的試驗之一。當身體偵測到有害外來物入侵時會產生抗體，這種專一的防禦性分子可辨識並與外來物結合。我們將恐龍骨骼的萃取物注射到小鼠體內，讓小鼠對萃取物中的有機物質產生抗體，然後讓這些抗體接觸火雞與大鼠的血紅素，結果抗體能與血紅素結合，顯示萃取物中含有血紅素或非常類似的物質，能誘發小鼠製造抗體。這項實驗支持大麥克骨骼裡含有與血紅素相似的物質。
在我們進行眾多的化學和免疫試驗中，沒有一項能反駁「顯微鏡下的神秘紅色構造是霸王龍血球」的假說，然而我們並沒直接證明類似血紅素的物質就是那紅色構造，現有技術還不夠精密，無法區別，因此我們並不能肯定地說它們就是血球。我們在1997年發表這些結果時，提出了保守的結論，僅指出化石中可能保存了血紅素蛋白質，最有可能的來源是恐龍細胞。這篇論文並未引起太多注意。
累積更多證據
透過霸王龍的研究，我開始意識到化石中含有許多可透露這些動物資訊的有機物質。如果我們能取得蛋白質，將可解讀它的胺基酸序列，類似遺傳學家定出DNA的序列；而且蛋白質序列和DNA序列一樣，也能提供動物演化關係、物種的演變、新遺傳性狀賦予的生存優勢等資訊。不過首先我得證明除了我們研究的霸王龍之外，其他化石也含有古老的蛋白質。我和當時在印第安納大學的馬歇爾（Mark Marshall），以及蒙大拿州立大學的平卡斯（Seth Pincus）、瓦特（John Watt）合作，將注意力轉向另外兩份保存狀況良好、有可能找得到殘留有機物質的化石。
第一份是一具美麗的原始鳥類脅空鳥（Rahonavis）化石，由美國石溪大學和麥克萊斯特學院的古生物學家從馬達加斯加白堊紀末期沉積中挖掘出土，年代距今約8000~7000萬年前。古生物學家在挖掘時，注意到化石的腳趾骨上有一些白色纖維狀物質，他們在採石場的其他化石或沉積物中並沒有看過類似物質，表示那可能是這隻鳥的一部份，而不是沉澱在骨頭上的外來物。他們懷疑，這些物質可能類似現今鳥類腳趾骨外的鳥爪，是由角質蛋白外鞘形成的，因此請我協助鑑定。
角質蛋白很有可能保存下來，因為這類蛋白不易分解，在脊椎動物身上含量豐富，存在於皮膚之類會接觸嚴峻環境的器官。角質蛋白有α和β兩類，所有脊椎動物都有α角質蛋白，人類的頭髮和指甲就是由角質蛋白構成，避免皮膚受到磨損和失去水份。現存的動物中只有鳥類和爬行動物有β角質蛋白，哺乳動物沒有。
為了測試脅空鳥腳趾骨上的白色物質是否為角質蛋白，我們使用了許多研究霸王龍時的方法。最值得一提的是抗體試驗顯示白色物質中含有α角質蛋白和β角質蛋白。我們也採用了其他分析工具，例如偵測腳趾骨外鞘的胺基酸以及在其他聚合物中形成鍵結的氮，所有測試結果都支持那些覆蓋在遠古鳥類腳趾骨外的神秘白色物質含有α和β角質蛋白片段，是鳥類致命尖爪的殘餘物。
第二個化石，是紐約市自然史博物館在蒙古白堊紀末期地層發現的一種小型肉食恐龍沙漠鳥龍（Shuvuuia deserti）。博物館技術人員戴維森（Amy Davidson）在清理化石時，注意到頸部有一些細小的白色纖維，她問我是否可能是殘餘的羽毛。由於鳥類由恐龍衍生而來，化石採集者也曾發現一些保存了羽毛印痕的恐龍化石，因此沙漠鳥龍有可能長著軟毛，但我並不預期羽毛如此纖弱的結構能禁得起時間的摧殘，我懷疑這些白色纖維可能來自現代植物或真菌，但答應仔細看看。
讓我驚訝的是，初步測試排除這些纖維是來自於植物或真菌，後續分析則顯示這些奇怪的白色細絲裡含有角質蛋白。鳥類成熟的羽毛幾乎全都由β角質蛋白構成，如果沙漠鳥龍的細小纖維和羽毛有關的話，應該只含有β角質蛋白，而不像脅空鳥的爪鞘同時含有α角質蛋白和β角質蛋白，而這正是我們抗體試驗得到的結果，這項研究發表於1999年。
驚人發現
此時我已相信，有些蛋白質片段可以在保存狀況絕佳的化石裡殘留下來，而且我們也有工具可以鑑定，但科學界仍有許多人並不相信。我們的發現挑戰了科學家所知的所有細胞和分子分解現象，試管實驗顯示蛋白質不能保存超過100萬年，DNA的壽命則更短。研究遠古DNA的科學家曾宣稱發現了數百萬年前的DNA，但後續研究卻無法驗證這項結果。唯一被廣為接受的遠古分子，年代不超過數萬年。事實上，當我投稿給科學期刊時，一位匿名的審稿人告訴我這類保存現象是不可能的，不管我提出什麼數據，都無法說服他。
面對這樣的阻力，一名同事建議我不妨退一步，先選擇古老、卻沒有像恐龍年代那麼久遠的骨骼，證明鑑定遠古蛋白質的方法有效。於是我和哈佛大學分析化學家亞薩拉（John Asara）合作，測定年代約60~30萬年前猛象化石的蛋白質。我們利用質譜法（mass spectrometry）這種蛋白質定序技術，證明這些蛋白質為膠原蛋白，這是構成骨骼、肌腱、皮膚和其他組織的重要組成。猛象的研究結果發表於2002年，並沒有引起太多爭議，事實上，科學界幾乎忽視它，但這項原理驗證不久卻發揮功效。
隔年，洛磯山博物館團隊終於完成另一隻霸王龍骨骼的挖掘工作，這隻編號為MOR1125，暱稱「布雷克斯」（Brex），生活在6800萬年前，是目前年代最古老的霸王龍化石，和大麥克一樣是在蒙大拿東部的地獄溪地層（Hell Creek Formation）中發現的。那個地方極為偏僻，車輛無法到達，必須用直升機將包在石膏裡的化石從挖掘處載運到營地。由於包著石膏的腿骨太重，直升機無法負荷，挖掘團隊只好打開石膏，把骨頭分開，再重新包上石膏。這些骨骼非常脆弱，原本的石膏套拆開時，許多骨頭碎片脫落了，於是他們將這些碎片裝箱送來給我。我最早的霸王龍研究曾引起爭議，因此我非常渴望能有第二隻霸王龍樣本讓我能重複這項研究，這個新發現的化石正是絕佳良機。
我從盒中取出的第一塊大腿骨碎片時，就知道這些骨骼很特別。骨頭碎片內面有一層薄而獨特的骨質，從未在任何恐龍化石上看到過，這層骨質非常像纖維，佈滿了血管，顏色和質地與常見的皮質骨（cortical bone）不同。我對著助理維特麥爾（Jennifer Wittmeyer）大喊：「天啊！牠是女生，而且還懷孕了！」她看著我，以為我瘋了。我研究過鳥類生理學，我幾乎可以肯定這獨特的骨質為髓質骨（medullary bone），這種骨質只會在鳥類產卵、需要提供鈣質來增加蛋殼強度時才會存在（通常只出現兩週）。
髓質骨和其他骨質不同，它的膠原蛋白排列混亂無序，顯示形成過程快速（在骨折後最早形成的骨質也有相同結構，所以你會覺得癒合的骨頭會有些隆起）。以弱酸處理鳥類和其他動物的骨骼，可除去其中的礦物質，顯露出膠原蛋白的排列方式。維特麥爾和我決定試著除去這些化石中的礦物質，如果那些骨質是髓質骨，而且含有膠原蛋白的話，應該會留下排列紊亂的纖維。當礦物質去除後，確實留下了一團具有彈性的纖維組織。我不敢相信我所看到的東西，還要求維特麥爾重複實驗好幾次，每次我們將這層特別的骨質放在弱酸溶液中，最後都剩下可伸縮的纖維物質，和處理鳥類髓質骨的結果一樣。
此外，當我們處理較常見的皮質骨時，從可被溶解基質中浮現出了較柔軟的組織：中空、透明、彈性的分支構造，它們看起來像血管，管內還懸浮著小型紅色圓球和沒有特定形狀的紅色凝聚物質。其他去除礦物質實驗還讓我們找到了外觀獨特的骨細胞（osteocyte），這是負責分泌膠原蛋白和其他骨骼中有機物質的細胞。這整隻恐龍似乎保存了許多過去不曾在恐龍化石裡發現的物質。
當我們在2005年將發現類似膠原蛋白、血管和骨細胞結構的結果發表於《科學》時，吸引了許多注意，不過科學界抱著靜觀其變的態度，我們只說發現的物質和現代生物的一些組成相像，並沒有直接說它們就是相同的東西。這些保存在化石中的物質，掩埋在沉積物中數百萬年，經歷了各種地質化學環境變化，化學性質可能和恐龍活著時大為不同。在我們能夠確定它們的成份時，這些物質才有真正的價值，我們的工作才正要開始。
我和亞薩拉合作，利用了研究大麥克、脅空鳥、沙漠鳥龍和猛象時磨練出的所有技術，深入分析這隻霸王龍的骨骼。亞薩拉改進了在研究猛象時使用的純化和定序方法，可以定出更古老恐龍蛋白質的胺基酸序列。這個工作困難多了，因為恐龍化石裡殘存的有機物濃度遠低於年代較近的猛象，蛋白質損毀的程度也更嚴重。儘管如此，我們最後還是定出了一些序列。令人快意的是，當哈佛大學的奧根（Chris Organ）將霸王龍的序列和其他許多生物比較時，他發現這些序列和鳥類的最接近，其次為鱷魚，這是現存與恐龍關係最近的兩類生物。
從爭議到展望
我們的定序研究在2007年和2008年發表後，掀起了軒然大波，大部份爭議集中在我們對（質譜儀）定序結果的詮釋。反對者認為我們並沒有足夠的序列來支持提出的結論；還有人提出我們詮釋為遠古軟組織的結構，其實是生物薄膜（biofilm），是入侵石化骨骼的微生物製造的黏液；此外還有其他的批評。這些反應讓我五味雜陳。我了解科學家本應抱持懷疑態度來審慎檢查那些驚人的主張，但另一方面科學一向遵循「簡約原則」：最簡單卻又能說明所有資訊的解釋往往就是正確的解釋，而我們已經有多項證據來支持我們的假說。
儘管如此，我明白單一驚人發現對科學來說並沒有任何長遠意義，我們必須定序其他恐龍的蛋白質。在我們進行夏季挖掘時，一名義工發現了生活在8000萬年前、草食性的鴨嘴龍（Brachylophosaurus canadensis，也稱為短冠龍）化石。化石還沒出土，我們即揣測牠可能含有遠古的蛋白質。在期盼牠仍保存著有機物質的心情下，我們盡快挖掘，希望能減少牠暴露的時間，空氣污染和濕度變化等因素都可能會破壞脆弱的分子；骨骼暴露的時間越長，就越容易受到污染和破壞。
或許是因為我們格外小心並且立刻進行分析，第二頭恐龍化石內部組成的化學性質和型態改變都比布雷克斯少，而且一如所願，我們在化石骨骼裡發現了嵌於白色膠原蛋白纖維中的細胞。這些細胞有著骨細胞典型的細長分支突出，從細胞本體延伸接到其他細胞，有少數細胞甚至看起來還具有內部構造，可能還具有細胞核。
此外，來自鴨嘴龍骨骼的萃取物能與膠原蛋白抗體和其他細菌無法製造的蛋白質的抗體反應，反駁了軟組織僅是生物薄膜的說法。我們從骨骼取得的蛋白質，序列也和現代鳥類最接近，和布雷克斯的結果相同。我們將鴨嘴龍骨骼樣本分送到其他數個實驗室檢驗，全都再現了我們的結果。這項結果在2009年發表於《科學》，這次我沒有聽到任何異議。
我們的研究並沒有停在這裡。對於遠古軟組織，我們還有太多不知道的事，為什麼所有化石形成模型都說有機物質會損毀，但這些物質卻保存了下來？它們的化石化過程如何發生？從這些動物的分子片段能得知什麼？定序研究顯示了分析這些物質將能幫助我們了解滅絕動物的演化關聯，當我們和其他團隊建立規模較大的遠古序列資料庫時，還可以與現代物種比對。隨著資料增加，我們將能透過序列比對，了解一個演化世系的成員在分子層次上的演變。如果能找出這些序列出現的時間，或許能讓我們更清楚演化的速度。這些資訊將能幫助科學家釐清恐龍和其他滅絕生物對重大環境轉變的反應，牠們如何在巨變後恢復，以及在巨變中滅絕。
（本文由科學人提供，原載於科學人2011年第107期1月號）
科學小視窗 ■ 人腦縮小了
▌文／科科報編輯小組
別以為人類越進化越聰明，腦袋越來越大。最新研究發現，人類大腦在過去2萬年之間，不僅沒有增大，體積反而縮小了。
根據英國《每日郵報》引述《Discover》雜誌科技作家Kathleen McAuliffe撰文，過去2萬年來，男性腦容量從1500立方公分縮小為1350立方公分，相當於小了一顆網球，而女性大腦也以此比例減小。
在人類演化史上，多數時期人類頭骨越來越大。不過學者也認為，腦袋大小和智力沒有必然關係。
