透過顯微鏡觀察化石骨骼的薄片，我難以置信地盯著同事剛剛指給我看的小紅球。這些微小的結構位於血管通道中，血管通道蜿蜒穿過淡黃色的堅硬組織。每個小球都有一個類似細胞核的深色中心。事實上，這些小球看起來就像爬行動物、鳥類和除哺乳動物以外的所有其他現存脊椎動物的血細胞，哺乳動物的迴圈血細胞沒有細胞核。它們不可能是細胞，我對自己說。這塊骨骼薄片來自一隻恐龍，蒙大拿州波茲曼落基山博物館的一個團隊最近發現了這隻恐龍——一隻大約在 6700 萬年前死去的霸王龍——每個人都知道有機物質太脆弱了，無法在如此漫長的時間裡持續存在。
300 多年來，古生物學家一直秉持這樣一種假設，即化石骨骼中包含的資訊嚴格來說在於骨骼本身的大小和形狀。傳統的觀點認為，當動物在適合化石化的條件下死亡時，來自周圍環境的惰性礦物質最終會取代所有的有機分子——例如構成細胞、組織、色素和蛋白質的分子——留下完全由礦物質組成的骨骼。1992 年的那個下午，當我坐在博物館裡，盯著恐龍骨骼中深紅色的結構時，我實際上看到一個跡象，表明古生物學的這個基石信條可能並非總是正確的——儘管當時，我大多感到困惑。考慮到恐龍是非哺乳動物的脊椎動物，它們應該有有核血細胞，而這些紅色的東西肯定看起來像是血細胞，但它們也可能來自我陌生的某種地質過程。
那時，我還是蒙大拿州立大學一名相對較新的研究生，研究恐龍骨骼的微觀結構，幾乎算不上經驗豐富的專家。在我就紅色小球的身份徵求了教職員工和其他研究生的意見後，這個謎題的訊息傳到了傑克·霍納那裡，他是博物館的古生物學館長，也是世界上最權威的恐龍專家之一。他親自看了一下。他皺著眉頭，對著顯微鏡看了似乎有幾個小時，一言不發。然後，他抬起頭，皺著眉頭問我：“你認為它們是什麼？”我回答說我不知道，但它們的大小、形狀和顏色都像是血細胞，而且它們的位置也正確。他哼了一聲。“那就向我證明它們不是。”這是一個不可抗拒的挑戰，即使是現在，它也幫助我塑造了提出研究問題的方式。
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從那時起，我的同事和我從多個樣本中提取了各種型別的有機遺骸——包括血管、骨細胞和構成爪子的類似指甲的物質的碎片——這表明，儘管化石中軟組織的儲存可能並不常見，但也不是一次性的偶然事件。這些發現不僅與教科書中關於化石化過程的描述背道而馳，而且還為我們提供了關於逝去生物的生物學的新見解。例如，另一塊霸王龍標本的骨骼顯示，這隻動物是一隻雌性，死時正處於“產卵期”（準備產卵）——這是我們僅從骨骼的形狀和大小無法獲得的資訊。在蒙古出土的一隻小型食肉恐龍附近的纖維殘餘物中檢測到的一種蛋白質，幫助確定了這種恐龍長有羽毛，並且在分子水平上，這些羽毛與鳥類的羽毛相似。
我們的研究結果遭到了很多懷疑——畢竟，它們非常令人驚訝。但懷疑是科學的恰當組成部分，我仍然覺得這項工作非常有趣且充滿希望。對恐龍的古代有機分子的研究有可能以我們二十年前無法想象的方式，促進對這些宏偉生物的進化和滅絕的理解。
最初的跡象
正如老話所說，非凡的主張需要非凡的證據。謹慎的科學家會盡一切努力推翻珍視的假設，然後才接受他們的想法是正確的。因此，在過去的 20 年裡，我一直在嘗試我能想到的每一種實驗，以推翻我的合作者和我發現的物質是來自恐龍和其他早已消失的動物的軟組織成分的假設。
對於我在霸王龍骨骼中看到的紅色微觀結構，我首先想到，如果它們與血細胞或血細胞成分（例如血紅蛋白或血紅素分子，它們是在從垂死的血細胞釋放出來後聚集在一起的）有關，那麼只有當骨骼本身儲存得異常完好時，它們才會以某種形式（儘管可能是非常改變的形式）持續存在。這種組織會在儲存不佳的骨骼中消失。在宏觀層面上，這顯然是真的。這具骨骼是一個來自蒙大拿州東部的近乎完整的標本——正式名稱為 MOR 555，暱稱“大麥克”——包括許多罕見的儲存完好的骨骼。對肢骨薄片的顯微鏡檢查顯示出類似的原始儲存狀態。緻密骨骼中的大多數血管通道都是空的，沒有像恐龍通常那樣充滿礦物質沉積物。而且，這些紅寶石般的微觀結構只出現在血管通道中，從未出現在周圍的骨骼或骨骼附近的沉積物中，正如血細胞應該存在的那樣。
接下來，我將注意力轉向了類似血細胞物質的化學成分。分析表明，它們富含鐵，就像紅細胞一樣，而且鐵是它們特有的。神秘紅色物質（我們暱稱它們為 LLRT，即“小圓形紅色物質”）的元素組成不僅與血管通道周圍的骨骼的元素組成不同，而且也與恐龍埋藏的沉積物的元素組成完全不同。但是，為了進一步測試紅色結構和血細胞之間的聯絡，我想檢查我的樣本中是否含有血紅素，這種含鐵的小分子賦予了脊椎動物血液鮮紅色，並使血紅蛋白蛋白能夠將氧氣從肺部輸送到身體的其他部位。當受到調諧雷射的刺激時，血紅素會以明顯的模式振動或共振，並且由於它包含金屬中心，因此它以非常獨特的方式吸收光。當我們對骨骼樣本進行光譜學測試（測量給定材料發射、吸收或散射的光）時，我們的結果表明，恐龍骨骼的某個地方存在與血紅素一致的化合物。
我們進行的其中一項最引人注目的實驗利用了免疫反應。當身體檢測到外來、潛在有害物質的入侵時，它會產生稱為抗體的防禦性蛋白質，抗體可以特異性地識別或結合這些物質。我們將恐龍骨骼的提取物注射到小鼠體內，導致小鼠產生對抗提取物中有機化合物的抗體。當我們隨後將這些抗體暴露於火雞和老鼠的血紅蛋白時，它們與血紅蛋白結合——這表明在小鼠體內引起抗體產生的提取物中含有血紅蛋白或非常類似血紅蛋白的物質。抗體資料支援了“大麥克”的骨骼中含有類似於活體動物血紅蛋白的物質的觀點。
我們進行的許多化學和免疫學測試均未推翻我們的假設，即在顯微鏡下可見的神秘紅色結構是來自
霸王龍的紅細胞。然而，我們無法證明類似血紅蛋白的物質是紅色結構特有的——可用的技術不夠靈敏，無法進行這種區分。因此，我們無法明確地聲稱它們是血細胞。當我們在 1997 年發表我們的研究結果時，我們保守地得出了結論，宣告血紅蛋白蛋白可能被儲存下來，並且這種蛋白質最可能的來源是恐龍的細胞。這篇論文幾乎沒有引起注意。
證據不斷積累
透過霸王龍的工作，我開始意識到化石有機物可以揭示關於已滅絕動物的多少資訊。如果我們能夠獲得蛋白質，我們就可以設想破譯其組成氨基酸的序列，就像遺傳學家對構成 DNA 的“字母”進行測序一樣。與 DNA 序列一樣，蛋白質序列包含關於動物之間進化關係、物種如何隨時間變化以及新遺傳特徵的獲得如何可能為擁有這些特徵的動物帶來優勢的資訊。但首先，我必須證明古代蛋白質存在於除我們一直在研究的奇妙的霸王龍以外的其他化石中。在印第安納大學的馬克·馬歇爾，以及當時在蒙大拿州立大學的塞思·平卡斯和約翰·瓦特的合作下，我將注意力轉向了兩塊儲存完好的化石，它們看起來很有希望從中提取有機物。
第一塊是一隻美麗的原始鳥類，名為拉何納維斯，它是石溪大學和麥卡萊斯特學院的古生物學家在馬達加斯加的沉積物中出土的，這些沉積物可以追溯到晚白堊世時期，大約在 8000 萬到 7000 萬年前。在挖掘過程中，他們注意到骨骼腳趾骨上有白色纖維狀物質。採石場中的其他骨骼似乎都沒有這種物質，沉積物中也沒有，這表明它是動物的一部分，而不是後來沉積在骨骼上的。他們想知道這種物質是否可能類似於構成活鳥類腳趾骨的角蛋白蛋白的堅韌鞘，從而形成它們的爪子，並請求我的幫助。
角蛋白蛋白是儲存的良好候選者，因為它們在脊椎動物中含量豐富，並且這種蛋白質家族的組成使它們非常耐降解——這對於暴露在惡劣條件下的皮膚等器官來說是件好事。它們主要有兩種型別：α 型和 β 型。所有脊椎動物都有 α 型角蛋白，在人類中，α 型角蛋白構成頭髮和指甲，並有助於皮膚抵抗磨損和脫水。β 型角蛋白在哺乳動物中不存在，僅存在於活體生物中的鳥類和爬行動物中。
為了測試拉何納維斯腳趾骨上的白色物質中是否含有角蛋白，我們採用了許多與我研究霸王龍時使用的相同技術。值得注意的是，抗體測試表明存在 α 型和 β 型角蛋白。我們還應用了其他診斷工具。例如，其他分析檢測到氨基酸，這些氨基酸位於腳趾骨覆蓋層，並且還檢測到氮（氨基酸的組成部分），氮與其他化合物結合，就像蛋白質在活組織（包括角蛋白）中結合在一起一樣。我們所有測試的結果都支援這樣一種觀點，即覆蓋古代鳥類腳趾骨的神秘白色物質包括 α 型和 β 型角蛋白的片段，並且是其曾經致命的爪子的殘餘物。
我們探測的第二個標本是一塊壯觀的晚白堊世化石，紐約市美國自然歷史博物館的研究人員在蒙古發現了這塊化石。儘管科學家們將這種動物命名為沙漠掘奔龍，或“沙漠鳥”，但它實際上是一隻小型食肉恐龍。在清理化石時，博物館的技術員艾米·戴維森注意到動物頸部區域有細小的白色纖維。她問我是否能分辨出它們是否是羽毛的殘餘物。鳥類是恐龍的後代，化石獵人發現了許多儲存著羽毛印記的恐龍化石，因此從理論上講，沙漠掘奔龍長有絨毛的說法是合理的。然而，我不認為像羽毛這樣精細的結構能夠經受住歲月的摧殘。我懷疑這些白色纖維反而來自現代植物或真菌。但我同意仔細看看。
令我驚訝的是，初步測試排除了植物或真菌作為纖維來源的可能性。此外，隨後對奇怪的白色細絲的微觀結構分析表明存在角蛋白。活鳥的成熟羽毛幾乎完全由 β 型角蛋白組成。如果沙漠掘奔龍上的小纖維與羽毛有關，那麼它們應該只含有 β 型角蛋白，這與拉何納維斯的爪鞘（同時含有 α 型和 β 型角蛋白）形成對比。事實上，這正是我們在進行抗體測試時發現的結果——我們在 1999 年發表了這些結果。
非凡的發現
到目前為止，我確信原始蛋白質的小殘餘物可以在儲存極其完好的化石中存活下來，並且我們擁有識別它們的工具。但科學界的許多人仍然不相信。我們的發現挑戰了科學家們對細胞和分子分解方式的所有認知。對有機分子的試管研究表明，蛋白質的持續時間不應超過一百萬年左右；DNA 的壽命甚至更短。研究古代 DNA 的研究人員此前聲稱他們已經提取出了數百萬年前的 DNA，但隨後的工作未能證實這些結果。唯一被廣泛接受的關於古代分子的說法是，它們存在的時間不超過數萬年。事實上，我提交給科學期刊發表的一篇論文的一位匿名審稿人告訴我，這種型別的儲存是不可能的，無論我們的資料如何，我都無法說服他或她。
為了回應這種抵制，一位同事建議我稍微退後一步，證明我們識別古代蛋白質的方法的有效性，方法是在年代久遠但不如恐龍骨骼那麼古老的骨骼中識別古代蛋白質，以提供原理證明。在哈佛大學的分析化學家約翰·阿薩拉的合作下，我從估計有 30 萬至 60 萬年曆史的猛獁象化石中提取了蛋白質。使用稱為質譜分析的技術對蛋白質進行測序，明確地將它們鑑定為膠原蛋白，膠原蛋白是骨骼、肌腱、皮膚和其他組織的關鍵成分。我們在 2002 年發表的關於猛獁象的研究結果並沒有引起太多爭議。事實上，科學界基本上忽略了它。但我們的原理證明即將派上大用場。
第二年，落基山博物館的工作人員終於完成了另一具霸王龍骨骼的挖掘工作，這具骨骼有 6800 萬年的歷史，是迄今為止最古老的。與較年輕的霸王龍一樣，這具骨骼——被稱為 MOR 1125，並以發現者鮑勃·哈蒙的名字命名為“布雷克斯”——是從蒙大拿州東部的地獄溪組地層中發現的。該地點偏遠而人跡罕至，車輛無法進入，因此一架直升機將裝有挖掘出的骨骼的石膏外套從該地點運到營地。裝有腿骨的外套太重，直升機無法吊起。因此，為了取出它們，團隊打破了外套，分離出骨骼並重新包裹起來。但是骨骼非常脆弱，當最初的外套被開啟時，許多骨骼碎片掉了出來。這些都被裝箱給我了。由於我最初的霸王龍研究具有爭議性，我渴望在第二隻霸王龍身上重複這項工作。新的發現提供了一個絕佳的機會。
當我第一眼看到我從那個盒子裡取出的第一塊骨頭時，一塊股骨碎片，我就知道這具骨骼很特別。在這塊碎片的內表面排列著一層薄而獨特的骨骼，這種骨骼從未在恐龍身上發現過。這一層富含纖維，充滿了血管通道，並且在顏色和紋理上與構成骨骼大部分的皮質骨完全不同。“哦，我的天哪，這是一隻雌性——而且它懷孕了！”我對我助手詹妮弗·威特邁爾驚呼道。她看著我，好像我瘋了一樣。但由於研究過鳥類生理學，我幾乎可以肯定，這種獨特的特徵是髓質骨，髓質骨是一種特殊組織，僅在有限的時間內（通常只有大約兩週）出現，當鳥類處於產卵期時，髓質骨的存在是為了提供一種容易獲得的鈣來源，以強化蛋殼。
髓質骨與其他骨骼型別區分開來的特徵之一是其膠原纖維的隨機排列，這一特徵表明其形成速度非常快。（當您骨折時，最先形成的骨骼中也會出現相同的組織——這就是為什麼您會在癒合的骨骼中感覺到腫塊的原因。）可以使用溫和的酸去除現代鳥類和所有其他動物的骨骼中的礦物質，以顯示膠原纖維的明顯排列。威特邁爾和我決定嘗試去除礦物質。如果這是髓質骨，並且如果存在膠原蛋白，那麼去除礦物質應該留下隨機排列的纖維。隨著礦物質被去除，它們留下了一團柔軟而纖維狀的組織。我簡直不敢相信我們所看到的。我讓威特邁爾多次重複這個實驗。每次我們將獨特的骨骼層放入溫和的酸溶液中時，都會留下纖維狀的彈性物質——就像鳥類髓質骨以同樣方式處理時一樣。
此外，當我們隨後溶解緻密、更常見的皮質骨碎片時，我們獲得了更多的軟組織。空心的、透明的、柔軟的、分支的管狀物從溶解的基質中出現——它們看起來與血管完全一樣。懸浮在血管內的是小的、圓形的紅色結構或不定形的紅色物質堆積物。額外的脫礦質實驗揭示了獨特的骨細胞，稱為骨細胞，它們分泌膠原蛋白和其他構成骨骼有機部分的成分。整隻恐龍似乎都儲存了以前在恐龍骨骼中從未見過的物質。
當我們在 2005 年在科學雜誌上發表我們的觀察結果，報告了看起來像是膠原蛋白、血管和骨細胞的物質的存在時，這篇論文引起了很多關注，但科學界採取了觀望態度。我們只是聲稱我們發現的物質類似於這些現代成分——而不是它們是完全相同的。經過數百萬年，埋藏在沉積物中並暴露於隨時間變化的地球化學條件下，儲存在這些骨骼中的物質可能與恐龍活著時存在的物質幾乎沒有化學相似之處。只有當它們的成分可以被辨別出來時，這些物質的真正價值才能被確定。我們的工作才剛剛開始。
利用研究“大麥克”號、拉何納維斯、沙漠掘奔龍和猛獁象時磨練的所有技術，我開始與阿薩拉合作，深入分析這隻霸王龍的骨骼，阿薩拉改進了我們在猛獁象研究中使用的純化和測序方法，並準備嘗試對恐龍的年代更久遠的蛋白質進行測序。這是一項更加艱鉅的任務，因為恐龍中有機物的濃度比年輕得多的猛獁象低幾個數量級，而且蛋白質也降解得非常嚴重。儘管如此，我們最終還是能夠對它們進行測序。令人欣慰的是，當我們在哈佛大學的同事克里斯·奧爾根將霸王龍序列與其他眾多生物的序列進行比較時，他發現它們與鳥類的序列最為接近，其次是鱷魚——這兩個群體是恐龍現存最近的親戚。
爭議及其後果
我們在 2007 年和 2008 年發表的詳細描述測序工作的論文引發了軒然大波，其中大部分爭議集中在我們對測序（質譜分析）資料的解釋上。一些反對者指責我們沒有產生足夠的序列來證明我們的觀點；其他人則認為，我們解釋為原始軟組織的結構實際上是生物膜——“粘液”，由侵入化石骨骼的微生物產生。還有其他批評。我對他們的反饋感到五味雜陳。一方面，科學家的職責就是持懷疑態度，並以嚴謹的態度審查非凡的主張。另一方面，科學以簡約原則為基礎運作——對所有資料最簡單的解釋被認為是正確的解釋。而且我們已經用多條證據支援了我們的假設。
儘管如此，我知道，一項令人驚歎的發現對科學沒有任何長期的意義。我們必須對其他恐龍發現物中的蛋白質進行測序。當一位志願者在夏季探險中陪伴我們找到了一隻 8000 萬年前的植食性鴨嘴龍（名為加拿大短冠龍，或“布拉奇”）的骨骼時，甚至在我們將其骨骼從地下挖出來之前，我們就懷疑鴨嘴龍可能是一個古代蛋白質的良好來源。希望它可能含有有機物，我們盡一切努力迅速將其從周圍的砂岩中取出，同時最大限度地減少其暴露於自然環境中的時間。空氣汙染物、溼度波動等會對脆弱的分子造成非常大的危害，骨骼暴露的時間越長，汙染和降解的可能性就越大。
也許正是因為這種額外的謹慎——以及及時的分析——這第二隻恐龍的化學性質和形態都比“布雷克斯”號的改變要小。正如我們所希望的那樣，我們在動物骨骼中發現細胞嵌入在白色膠原纖維基質中。這些細胞表現出細長、分支狀的延伸，這是骨細胞的特徵，我們可以從細胞體追蹤到它們與其他細胞連線的位置。其中一些細胞甚至包含看起來像是內部結構，包括可能的細胞核。
此外，鴨嘴龍骨骼的提取物與靶向膠原蛋白和其他細菌不產生的蛋白質的抗體發生反應，駁斥了我們的軟組織結構僅僅是生物膜的說法。此外，我們從骨骼中獲得的蛋白質序列與現代鳥類的蛋白質序列最為相似，正如“布雷克斯”號一樣。我們將鴨嘴龍骨骼的樣本送到幾個不同的實驗室進行獨立測試，所有實驗室都證實了我們的結果。我們在 2009 年在科學雜誌上報告了這些發現後，我沒有聽到任何抱怨。
我們的工作並沒有止步於此。關於古代軟組織，我們仍然有很多不瞭解的地方。當我們所有的模型都說這些物質應該降解時，為什麼它們會被儲存下來？化石化到底是如何發生的？我們能從儲存下來的分子碎片中學到多少關於動物的知識？測序工作暗示，對這種物質的分析最終可能有助於理清已滅絕物種之間的關係——一旦我們和其他人建立起更大的古代序列庫，以及來自現存物種的序列，以進行比較。隨著這些資料庫的擴充套件，我們或許能夠比較序列，以瞭解一個譜系的成員在分子水平上是如何變化的。透過將這些序列置於時間維度，我們或許能夠更好地理解這種進化的速度。這些見解將幫助科學家們拼湊出恐龍和其他已滅絕生物是如何應對重大的環境變化、它們是如何從災難性事件中恢復過來，以及最終是什麼導致它們滅絕的。