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看進骨頭內恐龍胚胎學--《科學月刊》

作者/黃大一(美國俄亥俄州立大學生藥學博士班,中興大學客座教授,曾任蘋果公司中文電腦研發顧問、中華玩石家地科協會創始人理事長、天龍科普國際基金會亞太總監)

對於本文的讀者來說,這篇文章可能有些另類,因為我不打算照著學術界的傳統論文方式,言必孔孟那樣硬梆梆、引用好多其它論文註解等等,反而是從科普的角度來著筆,加上自己的實戰經驗,一方面介紹我這些年來所著迷瘋狂的恐龍研究,另一方面也記錄些許個人的心路歷程,如果出現筆鋒帶著感情嘻笑怒罵的言詞,也只好敬請多多海涵我的臭屁,我的「陰謀/陽謀」其實很單純:如果能因而激發後浪超越前浪,那我的人生就很值得了。

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各種孵化階段的恐龍胚胎大腿骨中央橫切面。(作者提供)

「恐龍胚胎學」的建立

2013年4月11日,五個臺灣學者專家的恐龍胚胎論文被刊登於國際頂尖期刊Nature,又榮獲為當期封面論文,這是臺灣從未有過的紀錄,然而,這項成果的開端,必須回朔到十年前的偶然。2003年,玩石家地科協會到中國雲南舉辦「百戰天龍」活動,那時我在中央電視臺的採訪過程中,無意間撿到一個恐龍胚胎化石。

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這塊2003年無意間撿到的怪石頭,就是改變人們對於恐龍認知的「始作俑者」。 (作者提供)

後來在2009年初,這個化石被證明是世界最古老的恐龍胚胎化石。透過這樣的契機,「恐龍胚胎學」因而成為恐龍學範疇中的一個新領域。 我們能夠有幸首先創立「恐龍胚胎學」,透過以下所述「看進骨頭內」的研究方針,藉由各種先進的科研儀器設備和方法,我們將深入瞭解為什麼恐龍胚胎發育過程會如此快速?恐龍為什麼會長那麼大?部分問題的答案,已經在2013年的Nature封面論文內敘述,而目前我們正在進行幾個很有趣的課題,以充實「恐龍胚胎學」的內涵。

在研究世界最古老的恐龍胚胎過程中,「看進骨頭內」是我與國際兩岸聯合團隊,考量臺灣過去沒有好好培養古生物學專家,而不得不「異想天開」所提出來給臺灣科研界的一條新路,為臺灣學者們打開了一個新思維領域。臺灣從光復以來未曾培養過古生物學者,以我個人來說,在視蒼蒼髮茫茫而齒牙動搖的年紀,想要重頭去學習古生物學已經太晚了。

所以,我乾脆放棄傳統古生物學那種「看骨頭外表(系統型態描述)」的作法,把這些看骨頭外面的事項,交給團隊裡諸多世界頂尖的科班古生物學者,他們才是訓練有素的學者專家,在這方面,我還沒進幼稚園呢!雖然如此,臺灣學者們也不能妄自菲薄,透過我這個「看進骨頭內」的思維,我們來探看恐龍骨頭裡面到底是怎麼回事?

皇天不負苦心人,我們還是能在全球古生物界,做出領先傲人的成果來。我們團隊所發表的Nature封面論文,就是五位臺灣學者專家以「看進骨頭內」的方式所完成。這五位專家沒有一位是科班的古生物學者,甚至有好幾位剛開始的時候,老是搞不清楚「古生物學」和「考古學」的差異,經常考古來考古去,鬧了不少笑話。

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五個臺灣學者專家的恐龍胚胎論文被刊登於Nature期刊,又同時榮獲為封面論文,是台灣從未有過的紀錄。

恐龍胚胎的福與禍

從恐龍學的角度來說,平均每個禮拜都會有新的恐龍被發現,而科幻電影如《侏羅紀世界》等,長期以來對於普羅大眾的灌輸,使得恐龍議題一直維持在相當高的熱度,從來沒有其它的古生物(如三葉蟲、菊石等)能有此榮幸。但是,在這麼多的科學論文和普羅新聞當中,有關於恐龍胚胎的,相當稀少,而且如果有的話,絕大部份都是中晚白堊紀的恐龍胚胎,年齡才七、八千萬年的「晚輩」!我們這個是1.95億年前、最早期恐龍的胚胎。

再者,過去所發現的恐龍胚胎,「死相」都太漂亮了,完整或幾乎完整的恐龍胚胎捲曲在恐龍蛋裡面,漂亮得很。可是從另一個角度來說,如此的樣本,同時兼具「福」與「禍」,「福」是這麼可愛罕見,「禍」呢?因為太完整漂亮,斷絕了進行深入骨頭內研究的路,誰會讓你我拔出某根骨頭來切割,看到骨頭裡面去?於是,只能做到傳統古生物學的型態描述。進一步想,完整絞合的恐龍胚胎樣本所提供的資訊,只是該孵化中恐龍蛋被掩埋的那個剎那,在剎那之前和之後的恐龍胚胎發育,完全無法提供任何資訊,所以這些「死相」完美的恐龍胚胎樣本,一方面是福氣,同時也是詛咒。

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這些零散的骨頭樣本,提供了我們絕對的機會,讓我們進行「看進骨頭內」。(作者提供)

相對的,在我所發現的恐龍胚胎地點,除了上一段提到的那顆怪石頭有比較完整的樣本之外,我們還撿拾到很多非絞合(Disarticulate)的零散骨頭,從完整度來 說,可說是完全沒有漂亮完整的「死相」。但是從另外的角度來說,這個「禍」才是真正的「福」,因為它們提供了比完整恐龍胚胎更多的資訊,如透過測量股骨的 長度和直徑,我們分析出在這個採集點的恐龍胚胎,至少有三個不同孵化的階段,有可能是來自三個恐龍蛋的窩,或該地點曾經有三次淹水事件。

相對於其它完整絞合的恐龍胚胎樣本只能提供孵化過程中某瞬間的狀態,我們的材料讓我們研究恐龍胚胎的某一段期間,有如片段的視訊,而非單獨一張拍立得照片。又因為這些數量 不少的胚胎骨頭都是零散的,我們可以選擇某些來「犧牲」,做成切片,藉由各種先進的科研設備儀器,仔細觀察其內部構造,進行「看進骨頭內」的研究,揭開更 多恐龍寶貝的奧祕。

從小骨頭看見大世界

透過這些毫不起眼的零散骨頭,提供一個絕無僅有的好機會,讓我們建立恐龍胚胎學,利用同一物種的恐龍胚胎化石來研究,探討(至少在此物種的範疇)恐龍胚胎的孵化發育成長過程。這種機緣,是那些完美死相恐龍胚胎化石所無法提供的。我們認為恐龍胚胎學,至少囊括「化石生物學(PaleoBiology)」、「化石生理學(PaleoPhysiology)」、「化石化學(PaleoChemistry)」等三個主要學科領域。

深入研究恐龍胚胎學,可以提供或解答很多恐龍的奧祕,比方說,祿豐龍在牠的時代,是地球上體型最大的動物,體長達12公尺!這個世界最古老的祿豐龍胚胎,我估計孵化出來的時候,大約只有20公分,那麼,牠們如何快速成長到12公尺這麼大?早期侏羅紀原蜥腳類至中晚期侏羅紀的後代蜥腳類恐龍,如梁龍、馬門溪龍、泰坦龍等等吃素的龐然怪獸,體長可達五、六十公尺,體重上百公噸,牠們是地球從古到今最大的動物,如此龐大現象(Gigantism),到底怎麼一回事?

說來我們臺灣有點悲哀,光復以後,為了求溫飽,好多基礎科學被忽略了,沒有培養古生物學者。從我個人的角度來說,這剛好是「福」與「禍」攪和在一起。在這項重大發現的研究中,因為我本身沒有古生物的專業訓練,在臺灣也找不到適當的人選幫忙,只好另外打開一條路,以「看進骨頭內」來帶著臺灣的其它學者參與這項研究,我們從上述的諸多骨頭,透過必須使用極端破壞性的幾種同步輻射設備,觀測到一些很有趣的恐龍胚胎化石內涵:如圖四,將直徑只有0.846釐米的大洼祿豐龍胚胎肋骨,切磨成15微米的薄片,並用國家同步輻射的穿透式X光顯微掃描後,把諸多的單格掃描組合成右方的馬賽克,可以看到以前從未有人看過的資訊,提供很有用的胚胎發育骨頭成長訊息。

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左為大洼祿豐龍胚胎肋骨剖面,利用同步輻射穿透式X光顯微鏡掃描後,可看到胚胎發育階段中小肋骨內的結構(右)。左方照片內的綠色框標示掃描區域為寬0.16釐米,長0.846釐米。(作者提供)

在國家同步輻射研究中心,我們也利用同步輻射傅立葉快速轉換紅外光譜顯微鏡(Synchrotron Radiation FTIR Microscopy),掃描這些快兩億年前的恐龍胚胎股骨切片,在骨質和諸多原始管狀空間(Primary Tubular Cavity)交界處,看到了有機殘留物的波峰。但當時我們在論文中也僅保守地說,我們找到了保存有機殘留物的證據。

發現有機物

近日的後續分析,我們終於可說這些有機殘留物,就是第一種膠原蛋白(Collagen I)與其分解物。對於提出「看進骨頭內」的我來說,這個結果證明了我的引導思維沒錯,我們團隊走在正確的道路上。

有趣的是,我們原本投遞到Nature論文的題目,被期刊主編做了修改,新的標題總共有兩行,其中第二行:「帶著保存有機殘留物的證據(with evidence of preserved organic remains)」特別強調在這些快兩億年前的胚胎化石內,還保存著原本胚胎骨頭內的有機物,這不就是給我們臺灣團隊最大的肯定嗎?更也是「看進骨頭內」的一個有力支撐,同時也給傳統型態描述的古生物學,打開了另外一扇門,通往另外一個更高更寬廣的新古生物學範疇。

一般來說,通常認為化石是古代的生物已經變「化」成「石」頭,石頭是無機的礦物,因此在化石裡面,不應該或說不可能還保存著有機物,我們的成果,除了提出這是化石內保存有機物的最古老證據之外,更徹底推翻了這個「化石裡面不可能保存著有機物」的錯誤認知,這是一個抽地毯式的影響。

200〈本文選自《科學月刊》2015年9月號〉

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