七千多万年前，食草的斯氏亚冠龙在今天的蒙大拿州所在区域活动。一项关于年幼的斯氏亚冠龙的新研究发现了含有分裂细胞、细胞核和染色体的化石，以及些微DNA迹象。

　　绘图：MICHAEL ROTHMAN

　　撰文：MICHAEL GRESHKO

　　数十亿年来，DNA一直是生命的信息分子，其中蕴含着如何以及何时构建生物体蛋白质的指令。但是这些生物信息能存留多久呢？在一项令人兴奋的新研究中，一个国际研究小组揭示了一些保存完好的恐龙化石，其中一些化石含有疑似细胞的结构，甚至是可能构成恐龙原始DNA的结构。

　　上周发表于《国家科学评论》的这项研究对两头斯氏亚冠龙的头骨进行了深入研究。斯氏亚冠龙是一种食草恐龙，大约7500万年前生活在如今的蒙大拿州。

　　在这些微小的化石中，研究人员可以看到形似细胞的结构，其中一些冻结在分裂过程中。另一些则含有像细胞核一样的暗球，细胞核是储存DNA的细胞结构。其中一个细胞甚至似乎含有看起来像是一团线圈的类似染色体（在细胞分裂过程中形成的浓缩蛋白质和DNA链）物质。

　　其中一头斯氏亚冠龙的软骨中含有两个处于分裂中期的细胞（左），细胞中的黑暗物质与细胞核相一致。在高倍镜下（中心）可以看到，另一个细胞中含有类似浓缩染色体的物质。当浸泡在碘化丙钠（用于为活细胞中的DNA染色）中时，分离的斯氏亚冠龙细胞内的小点会发出荧光（右），表明其中存在一种类似DNA的物质。

　　图像：ALIDA BAILLEUL、WENXIA ZHENG

　　中国古脊椎动物与古人类研究所博士后研究员、新研究的主要作者Alida Bailleul说：“这种保存水平达到了亚细胞程度，以前研究者从未报道过脊椎动物的类似情况。”

　　为了检测这些化石材料，研究人员将与活细胞DNA结合的染色剂涂在恐龙头骨的碎片上。结果这些染色剂附着在恐龙化石细胞内的特定区域，使其发出红色和蓝色荧光。根据研究人员的判断，这些染色剂结合的物质来自恐龙的原始分子，而不是外部污染物，比如细菌。

　　这一发现是否意味着我们可以对恐龙的DNA进行测序？还差得远。研究人员还没有尝试从化石细胞中提取DNA，所以他们还无法确定这些物质是尚未改变的DNA还是某种遗传物质分解后的化石副产品。科学家们还警告说，如果这些恐龙细胞中存在DNA，那么很可能是微小的碎片，经过化学改变后与曾经的蛋白质混合在一起。

　　“我们并不是像《侏罗纪公园》中那样复原恐龙，”Bailleul说。

　　尽管如此，这项研究还是告诉我们化石可以保存微观结构，甚至是组成生物体细胞的分子痕迹，从色素到蛋白质等。最近的一项研究甚至在一个狄更逊水母（一种生活在5亿多年前的生物）化石中发现了生物分子，研究者利用生物分子确认该生物是一种动物，而不是另一种生命形式。

　　“这项研究仍处于起步阶段，但如果我们暂停怀疑，深入研究数据，并继续测试和完善我们关于化石中保存分子的观点，那就仍然是一件令人兴奋的事情，” 皇家安大略博物馆的古生物学者David Evans说，他没有参与这项研究。

　　令人震惊的细胞

　　恐龙细胞化石的偶然发现始于上世纪80年代的蒙大拿州荒地，当时还在蒙大拿州的落基山脉博物馆任职的查普曼大学古生物学者 Jack Horner发现了一个遗址，遗址中含有几头斯氏亚冠龙幼龙的骨头。Horner对这些幼龙的肢骨进行了研究，后来他还在遗骸中发现了一些斯氏亚冠龙的头骨。为了研究头骨的内部结构，Horner和同事们将一些头骨放入树脂中，然后将其研磨成比头发略粗的碎片。

　　这些含有恐龙头骨碎片的切片在落基山脉博物馆里尘封了20多年。直到2010年，当时还是博物馆的博士生的Bailleul将其取出，准备研究连接恐龙头骨的小关节和缝合线。当Bailleul在显微镜下观察薄切片时，她注意到一头幼龙的上枕骨上存在微小的圆形构造，上枕骨是头骨后部的一部分。

　　研究人员在斯氏亚冠龙的上枕骨中发现了保存完好的细胞。随着斯氏亚冠龙不断成长，其头骨的这一部分会从软骨变成骨头。

　　摄影：ALIDA BAILLEUL

　　这些圆形结构看起来像细胞，Bailleul注意到许多圆形结构中内部有更小、更暗的斑点，类似细胞核。有些甚至含有缠绕在一起的线状结构，这让Bailleul联想到染色体。

　　“我吓了一跳，离开显微镜，思考了一会，然后又回到显微镜，”她说。“我当时想，天哪，这不可能，这些结构不可能是别的东西！”

　　Bailleul被所见惊呆了，好几天都没告诉别人。不过，Horner以前的博士生之一、北卡罗莱纳州立大学的古生物学者Mary Schweitzer碰巧来参观博物馆。分子古生物学先驱Schweitzer曾发表过恐龙化石可以保存细胞甚至是其原始蛋白质的证据。

　　Schweitzer对这些化石进行了研究，认为Bailleul发现了一些不同寻常的东西。在接下来的十年里，Bailleul和Horner、Schweitzer以及同事们共同研究这些化石，并将其作为一个长期的附带项目。2014年，一个瑞典小组宣布他们发现了一种1.8亿年前的蕨类植物化石，并在其中找到细胞核和染色体，这个消息极大提升了研究小组的信心。“当那篇蕨类植物的论文发表时，我当时的反应是，哇，太好了，我们没疯，”Bailleul说。

　　在研究了细胞结构之后，研究小组希望更深入的解这些化石的组成成分。Bailleul参观了Schweitzer位于北卡罗来纳州的实验室，并带来了样本进行测试，同时用新鲜的鸸鹋组织样本对其研究工作进行双重检验（在另一个实验室，以避免污染）。

　　首先，研究人员将化学染色剂注入与软骨相连的化石，软骨表明这些恐龙死亡时，正在发育的头骨还没有硬化成骨头，正如研究小组所认为的那样。之后，Bailleul和Schweitzer分离出一些化石细胞，并向其注入碘化丙啶和DAPI——两种广泛用于医学研究的化学染色剂，可对新鲜的DNA染色。不出意料的是，鸸鹋的细胞更能吸收染色剂，但染色剂也会黏着在恐龙细胞化石的特定区域。

　　“我甚至不愿意称它为DNA，因为我很谨慎，不想夸大结果，” Schweitzer说。“这些细胞中的某种物质在化学上与DNA一致，并做出类似DNA的反应。”

　　DNA如何变成化石？

　　如果这些恐龙化石中存在完整的DNA，科学家可能需要重新评估DNA的顽强程度。过去的研究发现，骨骼中的遗传物质会在几百万年后分解。迄今为止最古老的完整基因组来自在西伯利亚发现的一块70万年前的马骨，那匹马自从死后就一直封存在永久冻土带中，而斯氏亚冠龙的骨骼化石则要比前者古老近100倍。

　　动物生前其骨头含有很多气孔，因此死后它们就变成不完美的时间胶囊。Schweitzer说，保存下来的恐龙细胞很可能是嵌在软骨里，软骨里没有气孔。软骨的结构可能更有效地保存了细胞内部结构及其化学成分。

　　Evans说：“钙化的软骨可能是寻找其他化石中保存完好的生物分子的理想场所，因为这种组织可能比骨头更不容易内部腐烂和受到污染。在钙化的软骨中，细胞被困在基质中，更有可能被保存在封闭的微环境中。”

　　尽管有软骨的保护，化学染色剂可能不会与化石中未改变的DNA结合。但Bailleul和Schweitzer说，如果存在DNA，它之所以能保存下来，可能是因为一条DNA链的不同部分形成了额外的化学键。在生物体内，这种被称为交联的反应毒性非常强，一些抗癌药物会在肿瘤DNA中诱发这些化学键。不过，在变成化石的过程中，这些化学键可能有助于DNA保持长期稳定。

　　Jasmina Wiemann是耶鲁大学的博士生，专门研究生物分子如何变成化石。她说，DNA和蛋白质之间的交联也有助于生物分子变成化石。过去的研究表明，DNA和组蛋白（充当组遗传物质线轴的蛋白质）可以相互结合。她补充说，研究者需要进行更多的化学分析来证实这一观点。

　　如果这些恐龙细胞中保存了未改变的DNA（一个主要假设），化学染色剂告诉我们，DNA链包含至少6个碱基对——DNA梯状结构的单个 “梯级”。尽管这些染色剂只提供了最短的DNA片段，如此短的片段可能对DNA测序没有用处。加州大学圣克鲁斯分校的古基因组学者Beth Shapiro说，古代DNA研究人员通常会忽略少于30个碱基对的DNA片段，因为如此微小的遗传物质片段没有包含足够的信息，无法被精确地放入基因组中。将这么小的DNA片段插入一个完整的基因组，就像试图在《白鲸记》中找到一个特定的句子，而已知的信息却只有其中含有“鲸鱼”这个词。

　　不过，无法进行测序的化石DNA仍然很有用处。Wiemann和其他人已经证明，即使是高度改变的化石蛋白质也能保存有价值的信息，比如该动物的代谢率，DNA残留物可能也是如此。

　　研究者需要更多的化学分析才能确定这些恐龙头骨碎片中究竟包含什么，但Bailleul希望未来科学家们能够完全理解DNA是如何形成化石的，以及这些保存下来的碎片中可能包含哪些遗传信息。

　　“如果我们什么都不做，那我们就算不上真正的科学家，”Bailleul说。“我知道这只是初步的研究，但如果没有人迈出第一步，那就永远不会有任何进展。”