300多年來，古生物學家一直秉持著這樣的假設：化石骨骼中包含的資訊僅在於骨骼本身的大小和形狀。人們認為，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、色素和蛋白質的那些分子——留下本質上是“鑄模”的曾經活著的骨骼，現在完全由礦物質組成。
我第一次意識到古生物學的這一基本原則可能並非總是適用，那是在我還是蒙大拿州立大學一位相對較新的研究生，研究霸王龍骨骼的微觀結構時。當我透過顯微鏡觀察時，我所看到的——小的、圓形的、紅色的、顯然有核的結構，僅限於貫穿骨骼的血管通道——據我所知，以前沒有人注意到。它們看起來類似於非哺乳動物脊椎動物的有核紅細胞。但是，根據塑造我學科的傳統智慧，看到恐龍血細胞是不可能的。在我向教職員工和其他研究生徵求關於紅色球體身份的意見後，這個謎題的訊息傳到了博物館的古生物學館長，也是世界頂級的恐龍權威之一傑克·霍納那裡。他親自看了一下。他皺著眉頭，透過顯微鏡凝視了似乎幾個小時，一言不發。然後，他抬起頭，皺著眉頭看著我，問道：“你認為它們是什麼？”當我回答說我不知道，但它們的大小、形狀、位置和顏色都像是血細胞時，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，並且一直有助於構建我的研究。
自從早期的發現以來，我的同事和我已經從多個化石遺骸中回收了各種型別的有機殘留物——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，儘管這種儲存可能不常見，但也不是一次性的。這些發現不僅與化石化過程的教科書描述相悖，它們還為早已逝去的生物的生物學提供了新的見解。例如，另一塊霸王龍標本的骨骼顯示，這隻動物是一隻雌性，在死亡時“即將產卵”（準備產卵）——這是我們無法僅從骨骼的形狀和大小中獲取的資訊。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，有助於確定該恐龍具有與現代鳥類的羽毛在分子水平上一致的結構，而不僅僅是形態學上的一致。
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最初的跡象
正如古老的諺語所說，非凡的主張需要非凡的證據。謹慎的科學家會盡一切努力反駁他們自己珍愛的假設，然後才接受他們的想法是正確的。因此，在過去的20年中，我一直在嘗試我能想到的每項實驗，以反駁我的合作者和我發現的材料是曾經活著的動物產生的組織成分的假設。
對於我在霸王龍骨骼中看到的紅色微觀結構，我推斷，如果它們與血細胞或其成分（例如血紅蛋白分子或從垂死血細胞釋放後聚集在一起的血紅素）有關，那麼只有在骨骼本身儲存得異常完好的情況下，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。在宏觀層面，這隻恐龍符合這一標準。這具骨骼，來自蒙大拿州東部的一個近乎完整的標本，被稱為MOR 555，包括許多罕見的儲存完好的骨骼。肢骨薄片的顯微鏡檢查顯示出同樣原始的儲存狀態。緻密骨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。
接下來，我將注意力轉向了類似血細胞的物質的化學成分。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LRRTs，“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，而且也與恐龍埋葬的沉積物的元素組成不同。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，血紅素是一種小的含鐵分子，它賦予脊椎動物血液鮮紅色，並使血紅蛋白能夠將氧氣從肺部輸送到身體的其他部位。當血紅素受到調諧雷射的刺激時，它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。當我們對整個骨骼樣本的提取物進行光譜學測試——測量給定材料發射、吸收或散射的光——時，我們的結果表明，恐龍的骨骼中某處存在與血紅素一致的化合物。
我們進行的最引人注目的實驗之一利用了免疫反應。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，這些抗體可以特異性識別並結合這些物質。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。當我們隨後將這些恐龍抗體暴露於來自火雞和老鼠的血紅蛋白時，它們與血紅蛋白結合——這表明在小鼠體內刺激抗體產生的恐龍提取物中包含一種在某些方面類似於活體動物血紅蛋白的分子。
我們進行的許多化學和免疫學測試都沒有達到傑克最初的挑戰，即“證明它們不是”來自霸王龍的血細胞。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——當時我進行這些研究時，可用的技術不夠靈敏，無法進行這種區分。因此，我們無法明確聲稱這些結構源自血細胞。當我們在1997年發表我們的發現時，我們保守地得出結論，宣告血紅蛋白蛋白可能被儲存下來，並且蛋白質最可能的來源是恐龍的細胞。
證據不斷積累
透過對霸王龍的初步研究，我開始意識到化石分子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，我們就可以想象解碼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給擁有它們的動物帶來優勢的資訊。但我首先必須證明古代蛋白質存在於我們一直在研究的奇妙的霸王龍以外的其他化石中。在與當時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·瓦特合作下，我將注意力轉向了兩個儲存完好的化石，這些化石看起來很有希望回收其他有機分子。
第一個是一個美麗的原始鳥類，名為拉荷納維斯，古生物學家從石溪大學和麥卡萊斯特學院在馬達加斯加的沉積物中挖掘出來，其年代可追溯到晚白堊世時期，大約7000萬至6600萬年前。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。他們想知道這種物質是否可能類似於覆蓋活鳥腳趾骨的角蛋白蛋白製成的堅固鞘，從而形成它們的爪子。
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，並且該蛋白質家族的組成使其非常耐降解。它們主要有兩種型別：α型和β型。所有脊椎動物都具有α-角蛋白，在人類中，它構成頭髮和指甲，並幫助皮膚抵抗磨損和脫水。β-角蛋白在哺乳動物中不存在，僅在活生物體中的鳥類和爬行動物中存在。
為了測試拉荷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用於研究霸王龍相同的技術。值得注意的是，抗體測試表明存在α-和β-角蛋白，這兩種角蛋白都在活鳥類和爬行動物的爪子中表達。我們還應用了其他診斷工具。一種方法檢測到位於腳趾骨覆蓋物中的氨基酸，氮（氨基酸的成分）的鑑定支援了這一點。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是其曾經致命的爪子的殘餘物。
我們探測的第二個標本是紐約市美國自然歷史博物館的研究人員在蒙古發現的壯觀的晚白堊世化石。儘管科學家們將這種動物稱為沙漠鳥，或者“沙漠鳥”，但它實際上是一隻小型食肉恐龍。在清理化石時，博物館的標本製作師艾米·戴維森注意到動物頸部區域有細小的白色纖維。她問我是否可以判斷它們是否是羽毛的殘餘物。鳥類是恐龍的後裔，化石獵人已經發現了許多儲存有羽毛印記的恐龍化石，因此理論上沙漠鳥有一層絨毛的說法是合理的。然而，我沒有想到像羽毛這樣精緻的結構能夠經受住時間的摧殘。我懷疑白色纖維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。這些纖維是空心的，並且包含與β-角蛋白分子結構一致的細小細絲。此外，隨後對奇怪的白色股線的成分進行的分析表明存在角蛋白。活鳥的成熟羽毛幾乎完全由β-角蛋白組成。如果沙漠鳥上的小纖維與羽毛有關，那麼它們應該只含有β-角蛋白，這與拉荷納維斯的爪鞘形成對比，後者同時含有α-和β-角蛋白。事實上，這正是我們在進行抗體測試時發現的——我們在1999年發表了這些結果。
非凡的發現
到現在為止，我確信原始蛋白質的小殘餘物可以在儲存非常完好的化石中倖存下來，並且我們擁有識別它們的工具。但是，科學界的許多人仍然不相信。我們的發現挑戰了他們認為他們所瞭解的關於細胞和分子分解的一切。有機分子的試管研究表明，蛋白質不應持續超過一百萬年左右；DNA的預測壽命甚至更短。研究人員此前聲稱他們已經回收了數百萬年前的DNA，但隨後的工作未能驗證結果，加劇了圍繞回收非常古老的分子的主張的爭議。唯一被廣泛接受的關於古代分子的主張不超過數萬年。
為了回應這種抵制，一位同事建議我稍微退後一步，證明我們的方法在識別古老但不如恐龍骨骼那麼古老的骨骼中的古代蛋白質的有效性。我們與哈佛大學的分析化學家約翰·阿薩拉合作，從估計有30萬至60萬年曆史的猛獁象化石中獲得了蛋白質。使用稱為質譜法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年發表的結果並沒有引起太多爭議。事實上，科學界在很大程度上忽略了它。但是我們的原理驗證即將派上用場。
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一具。與上述較年輕的霸王龍一樣，這具被稱為MOR 1125的骨骼，暱稱“Brex”，以發現者鮑勃·哈蒙的名字命名，是從蒙大拿州東部的地獄溪組中回收的。偏遠地點沒有車輛通道，因此直升機將裝有挖掘出的骨骼的石膏套從現場運到營地。裝有腿骨的套筒太重，直升機無法吊起。因此，為了取回它們，團隊打破了套筒，分離了骨骼並重新套上套筒。但是這些骨骼非常脆弱，當最初的套筒開啟時，許多骨骼碎片掉了出來，被收集起來並裝箱給我。由於我最初的霸王龍研究存在爭議，我渴望在第二隻霸王龍上重複這項工作，而這次發現提供了一個完美的機會。
當我看到我從那個盒子裡取出的第一塊骨頭，一塊股骨碎片時，我就知道這具骨骼很特別。這塊碎片的內表面襯有一層薄而明顯的骨骼型別，這種骨骼型別從未在恐龍中發現過。這層骨骼非常纖維狀，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，這是一個女孩——而且她懷孕了！”我對我當時的助手詹妮弗·威特梅爾驚呼道。她看著我，好像我瘋了一樣。但是，在研究過鳥類生理學之後，我幾乎可以肯定，這種獨特的特徵是髓質骨，髓質骨是一種特殊的組織，只在有限的時間內出現（通常只有大約兩週），當鳥類即將產卵時。這種特殊的骨組織的存在是為了提供鈣的簡便來源，以強化蛋殼，當最後一個蛋產下時，髓質骨會被迅速吸收。
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方向，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出現相同的組織——這就是為什麼您在癒合的骨骼中感覺到腫塊的原因。）任何動物的骨骼都可以使用溫和的酸脫礦質，以揭示膠原纖維的明顯排列。在活鳥中，去除髓質骨中的礦物質應該留下隨機方向的纖維。但這隻恐龍是恐龍，而不是鳥類。我認為恐龍骨骼中幾乎所有的有機物都消失了，如果我們讓反應執行時間過長，我們將一無所獲，因此威特梅爾和我決定輕輕蝕刻表面。令我們驚訝的是，當礦物質溶解時，它們留下了一團柔韌而纖維狀的組織。我簡直不敢相信我們所看到的。我要求威特梅爾多次重複實驗。每次我們將獨特的骨骼層放入溫和的酸溶液中，都會留下纖維狀的彈性材料——就像用同樣的方法處理鳥類的髓質骨時一樣。
此外，當我們隨後溶解更緻密、更常見的皮質骨碎片時，我們獲得了更多的軟組織。空心、透明、柔韌、分支的管子從溶解的基質中出現——它們看起來完全像血管。懸浮在血管內部的是小的、圓形的紅色結構，非常像最初的霸王龍中的那些結構，它們讓我走上了這條道路，或者是無定形的紅色物質堆積物。額外的脫礦質實驗揭示了獨特外觀的骨細胞，稱為骨細胞，它們分泌膠原蛋白和其他成分，構成活骨的有機部分。整隻恐龍似乎都儲存了以前在任何恐龍骨骼中都從未見過的物質！
當我們在2005年發表在科學雜誌上的觀察結果，報告了看起來像是膠原蛋白、血管和骨細胞的存在時，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——因為當時我們沒有化學資料，只有形態學資料。經過數百萬年的時間，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。只有當它們的成分能夠被辨別出來時，這些材料的真正價值才能被確定。我們的工作才剛剛開始。
利用在研究MOR 555、拉荷納維斯、沙漠鳥和猛獁象時磨練的所有技術，我開始與阿薩拉合作，對這隻霸王龍的骨骼進行深入分析，阿薩拉改進了我們在猛獁象研究中使用的方法，並準備嘗試對恐龍更古老的蛋白質進行測序。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，而且蛋白質降解非常嚴重。儘管如此，我們最終還是能夠對蛋白質片段進行測序。令人欣慰的是，當我們的哈佛同事克里斯·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分組最接近，其次是鱷魚——這兩組是恐龍最接近的現存親屬。
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，其中大部分爭議都集中在我們對序列資料的解釋上。一些反對者指責我們沒有產生足夠的序列來證明我們的論點；另一些人則認為，我們解釋為原始軟組織的結構實際上是生物膜——入侵化石骨骼的微生物產生的“粘液”。我對他們的反饋感到複雜。一方面，科學家是靠懷疑精神吃飯的。另一方面，科學基於簡約原則運作——對所有資料最簡單的解釋被認為是正確的。而且我們用多條證據支援了我們的假設。
儘管如此，我知道在科學中，一個單獨的驚人發現沒有任何長期意義。我們必須對其他恐龍骨骼中的蛋白質進行測序。當一位隨我們進行夏季探險的志願者發現了一隻8000萬年前的植食性鴨嘴龍加拿大短冠龍（簡稱“短冠龍”）的骨骼時，我們甚至在將它的骨骼從地下挖出來之前就懷疑鴨嘴龍可能是古代蛋白質的良好來源。希望它可能含有有機物，我們盡一切努力盡快將其從周圍的砂岩中解放出來，同時最大限度地減少其暴露於化學物質、汙染物和元素中。空氣汙染物、溼度波動等會對脆弱的分子造成非常有害的影響，骨骼暴露於這些因素中的任何一個的時間越長，就越有可能發生汙染和降解。
也許是由於這種額外的謹慎——以及及時的分析——第二隻恐龍的化學性質和形態都比Brex的改變更少。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。這些細胞表現出長而細的樹枝狀延伸，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地方。其中一些甚至包含看起來像是內部結構的東西，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細菌不製造的其他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最接近現代鳥類的蛋白質序列，就像Brex的一樣。我們在2009年的科學雜誌上報告了這些發現。
從那時起，我們對從現代雞到三疊紀材料的生物體的骨骼進行了脫礦質處理，這些材料是在不同的環境和不同的洲收集的，以表明我們可以回收至少四個儲存在不止一隻恐龍中的元素中的三個：血管、血管內容物、骨細胞和基於膠原蛋白的基質。此外，我們現在有許多獨立的證據表明，從Brex和Brachy採集的樣本中那些細長的、分支的微觀結構確實是曾經活著的恐龍的骨細胞。在最令人信服的實驗之一中，我們將這些微觀結構暴露於單克隆抗體中，這些抗體與活鳥類骨細胞中表達的一種蛋白質結合，但不與我們用作對照的鱷魚骨細胞結合。我們發現抗體確實與來自兩隻恐龍的微觀結構結合，模式與我們在鴕鳥骨細胞中看到的相同。儘管我們有資料暗示這些細胞內部存在DNA，但除非我們能夠獲得與恐龍預測的DNA序列一致的DNA序列，否則我們的發現將不會是結論性的——但DNA可能過於碎片化和改變而無法測序。
對我們工作的一個常見批評是，它與細胞、組織和分子降解模型不一致——所有這些模型都預測壽命遠短於8000萬年。因此，我們進行了另一組實驗，以解決在自然發生的條件下，這些成分如何能夠儲存如此長的時間。我們注意到，在我們能夠回收血管和細胞的所有情況下，我們也看到了鐵，鐵以僅在高倍透射電子顯微鏡下可見的微小顆粒的形式嵌入。我們推斷，這種鐵可能來自富含鐵的血紅蛋白的分解，血紅蛋白是由垂死的紅細胞釋放出來的。隨著血紅蛋白分子的分解，它們釋放的不穩定的生物鐵會發生化學反應，從而釋放出高反應性的遊離羥基自由基。這些飢餓的分子會攻擊組織，竊取電子以使自身更穩定，並在該過程中導致組織分子之間形成交聯。這種反應在活生物體中是致命的，因為交聯的分子無法正常發揮功能，但其作用很像將組織放入甲醛中——甲醛也是一種防腐劑，也會導致交聯形成。
在實驗中，我們觀察到，如果首先將從現代骨骼中回收的血管短暫浸泡在紅細胞裂解物中，則它們可以在室溫下的水中保持穩定兩年以上，而未經處理的血管會在幾天到幾周內降解。這些結果表明，血液裂解物中的自由基可能使組織免受早期降解。
我們的結果受到了很多懷疑。畢竟，它們非常令人驚訝，但它們也充滿了希望。對恐龍古代有機分子的研究可以深入瞭解這些偉大生物是如何進化的，它們是如何應對重大的環境變化的，以及最終是什麼導致了它們的滅絕。