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Dec. 18 2018

奇妙的「海怪」化石仍保有皮膚和脂肪組織

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  • 德國霍爾茨馬登的頁岩採石場出土過許多1億8000萬年前的海洋生物化石,其中包括上千具長得像海豚的爬行動物魚龍,例如這隻狹翼魚龍亞成體。現在,學者正在分析另一具來自霍爾茨馬登的狹翼魚龍樣本,且首度發現了化石化的海獸脂。PHOTOGRAPH BY BENJAMIN KEAR

新發現證實,有些遠古爬行動物與海豚的相似程度可不僅止於皮相。

大約1億8000萬年前在現今的德國,有一隻長得像海豚的爬行動物死去,並沉入古代海洋的底部。這隻生物的特殊之處在於,牠的軀體因為葬身海洋而得以保存驚人的細節——包括首度在史前動物身上發現的類似海獸脂(blubber)的化學痕量。

這副12月5日發表於《自然》(Nature)期刊上的化石保存了一隻狹翼魚龍(Stenopterygius)的身體,牠屬於生活在侏羅紀早期的海洋爬行動物魚龍(ichthyosaur)。牠皮膚上的皺摺和紋理都還在,還有含有色素和海獸脂化學痕量的細胞。

↑↑↑↑↑101史前教室:叱吒遠古海洋的魚龍

「細看這些結構,你不但能夠從細胞層級一一辨識,還能找到原有的蛋白質痕量——這只是冰山一角,後頭還有《侏羅紀公園》(Jurassic Park)那類東西,」共同作者班傑明.基爾(Benjamin Kear)說道。他是瑞典烏普薩拉大學(Uppsala University)的古生物學家。

這篇研究標誌出晚近古生物學家試圖從化石的微小尺度搜羅巨大研究突破的努力。

「這項研究真的全面地探究了這隻動物的化石保存……採用的尺度唯在近數十年內才成為可能,」維吉尼亞理工學院(Virginia Tech)的古生物學家凱特琳.考里瑞(Caitlin Colleary)在電子郵件中寫道,她是化石分子保存專家。「這項研究再度例證分子古生物學能夠如何幫助我們重新想像這些動物在世時的模樣。」

請小心間隙

早在科學賦予恐龍名稱以前,魚龍——原意「魚形蜥蜴」——就已經佔據19世紀自然哲學家們的想像了。皮革般的肌膚、細長頷部,和為速度而生的軀體,這種爬行動物就像是中生代(Mesozoic era),即恐龍時代的海豚。現在,牠們被視作引領演化風潮的動物。

「牠們由陸地上用肺部呼吸的爬行動物演化而來,然後很快地就在3000萬年後得到魚類的外型。魚龍最早;鯨魚較晚,」加州大學戴維斯分校(University of California, Davis)的古生物學家藻谷亮介(Ryosuke Motani)說,他的研究專長就是魚龍。「牠們(也)有脊椎動物中最大的雙眼,有些較晚的物種有數 量最多的指頭:一隻鰭肢中9到10隻手指。」

攝影(上)與示意(下)圖片展示出新研究中這隻狹翼魚龍的細節。牠的顱骨躺向左側。 PHOTOGRAPH BY JOHAN LINDGREN

超過一世紀以來,人們已經找到過一些帶有軟組織痕跡的魚龍化石,這是由於這種動物埋藏在深海的低氧沉積層中。這些化石中最知名的樣本來自德國霍爾茨馬登(Holzmaden)的頁岩採石場。頁岩場出土的魚龍大多裹著漆黑輪廓,那是皮膚與鰭的痕跡。

自1930年代起,研究這些輪廓的學者就懷疑魚龍有海獸脂,藻谷說。在這些有身體輪廓的魚龍化石身上,脊骨和身體上方表面之間總是有間隙——顯示這種動物的骨架外面墊著大量軟組織。

挑戰在於以化學證據證明脂肪層的存在。研究人員能不能夠確定這圈輪廓保存的是魚龍自己的形狀,還是大啖牠屍體的細菌所鋪成的細菌毯(bacterial mat)呢?化石有保存這隻魚龍原本的脂肪和蛋白質嗎?為了找出答案,研究人員必須仔細探究魚龍的化學性質。但是博物館在處理化石的時候通常會小心地將周遭岩石移除,或使用可能汙染化石的穩定劑。

這就是為什麼瑞典隆德大學(Lund University)的古生物學家約翰.林格倫(Johan Lindgren)決定尋找一具未受汙染的魚龍化石來盡可能進行多種化學分析。霍爾茨馬登的豪夫史前博物館(Urweltmuseum Hauff)擁有許多當地遺址出土的化石,而且剛好有合適的狹翼魚龍樣本。很快地,林格倫的團隊就招募到23名國際學者。

「這真的像《愛麗絲夢遊仙境》(Alice in Wonderland)之類的故事,」基爾說。「我們走進兔子洞,然後洞愈來愈深。」

愈來愈暖

林格倫的團隊首先分析保有驚人細節的魚龍皮膚。研究人員能夠辨識出一層一層的皮層,甚至還有這隻動物分解時形成的皮膚皺摺。

驚人的是,學者找到了黑色素細胞(melanophore)的痕量,這是內含黑素色的特化細胞。雖然1950年代就曾在魚龍身上找到類似的發現,林格倫的團隊採取了專屬於21世紀的研究取徑。研究人員使用高能光譜儀和X光掃描化石中的黑色素,並重建黑色素細胞的3D模型。團隊發現,魚龍的背部和許多現生海洋動物一樣,有著比腹部更深的顏色。這種色彩型態稱作反蔭蔽(countershading),有助動物在水中偽裝,並控制體溫。

研究人員也在保存下來的皮膚上看到海獸脂的痕跡。化學測試顯示,這個皮層並非當代汙染,也不像其他皮層那樣以蛋白質為主。它反倒是一條黃色的脂肪帶,位置和現生海豚與革龜的海獸脂所在之處相近。

插圖描繪狹翼魚龍在世時可能的外表。學者並不知道這種動物的切確顏色與花紋,但是化石證據顯示牠的背部顏色比腹部深。

「我覺得看起來頗有說服力,」耶魯大學古生物學家潔斯米娜.維曼(Jasmina Wiemann)說,她是專精化石分子保存的博士班學生,並沒有參與這樣研究。「他們使用了許多方法,我得說,看起來很費工。」

脂肪層的存在至少表示魚龍能夠維持穩定體溫。雖然現有證據還不足以做出結論,稱魚龍與現代哺乳類——包括鯨魚和海豚——一樣是溫血動物,這項發現和2010年另一篇研究一致,該研究發現魚龍的體溫高達攝氏35度。

蛋白質結合

或許這篇研究最重大且最具爭議的宣稱在於,這隻魚龍化石還保有一些原有的蛋白質。如果是真的,這隻魚龍就帶有現存最古老的生物分子,大概有1億8000年之久。

北卡羅萊納州立大學(North Carolina State University)的古生物學家瑪麗.史懷哲(Mary Schweitzer)是這篇論文的共同作者,她使用抗體協助團隊找出化石中的蛋白質。她已經採用這種技術數十年,在嚴密的無塵室狀態下找出恐龍膠原和其他蛋白質的證據。在這個案例中,史懷哲和她的同事在魚龍的肺中看到血紅素的跡象,也在皮層中看到可能的結構蛋白(structural protein),例如膠原蛋白或角質。

她的團隊在一間禁止出現當代動物組織的研究室裡分析樣本。為了進一步確保陰性樣本不會錯誤地測得陽性結果,他們也用數種抗體掃描樣本,如果樣本上有化石化的細菌毯,其中一種抗體會將之標示出來。

「我們可以區辨出哪些抗體和抗原結合,而且這並不會隨機發生,」史懷哲說。「你不會看到角質(抗體)和任何東西結合;它只會在我們詮釋為皮膚的部位發生結合。」

然而有些古生物學家長久以來都批評抗體測試法傾向顯示其實不存在的蛋白質。最近有學者用數種方法重新分析史懷哲最早出版的研究樣本之一——鳥面龍(Shuvuuia deserti)化石上的纖維。他們沒有找到任何蛋白質證據。

「我擔心這些抗體測試法很有可能將複合穩定劑、汙染物和其他化石有機質錯讀成陽性反應,」艾文.薩伊塔(Evan Saitta)在電子郵件中寫道,他是菲爾德自然史博物館(Field Museum of Natural History)的研究人員,主導鳥面龍的重新分析。「我希望這些研究能加進更多控制組樣本……雖然這份樣本的異質本質可能有助理出些頭緒。」

這些懷疑論調部分是因為史懷哲與其他人的宣稱可能帶來巨大影響。如果化石紀錄中的蛋白質真的能保存那麼完好,學者就能直接研究遠古生物的蛋白質,得知這些生物如何如何生活與演化,而且能得到的資訊將比研究骨頭更多。未來針對其他魚龍,以及這篇分析中的狹翼龍魚的進一步研究將有助釐清此事。

「我們一定會繼續(研究這具化石),」史懷哲說。「這副標本很棒。」

與此同時,基爾歡迎任何因這篇研究而起的議論:「來吧!」他說。「唯有持續測試資料,我們才更了解實際情形。」

 

延伸閱讀:遠古琥珀中發現飽食恐龍血液的蜱兇殘的「半水棲」恐龍可能不太會游泳

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