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終極之遠,新視野號在古柏帶探測星體

劉馨香_96
・2019/01/03 ・1670字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 549 ・八年級
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編按:「終極遠境」(Ultima Thule) 後來因為用字與納粹有關連(被認為是雅利安人的起源地名稱),2014 MU69 於 11 月 12日被正式命名為 Arrokoth,源自美國原住民波瓦坦語 (Powhatan) 與阿岡昆語 (Algonquian) ,意指「天空」或「天邊」。(NASA twitter) (2019/12/31 更新)

2019 年的第一天,NASA 宣布「新視野號」(New Horizons) 探測器成功近距離掠過位於古柏帶 (Kuiper Belt) 的小行星「終極遠境」(Ultima Thule),並在距離小行星僅三千五百公里之處收集資料,成為人類史上探測過最遠的星體。

新視野號於 2006 年升空,一路以遠離地球的方向往外飛去,旨在探測矮行星、冥王星和古柏帶。在 2007 年經過木星時,對木星進行了精細的觀察,在 2015 年到達冥王星時,其豐富的探測資料與高解析度的影像,讓人們對冥王星有全新的理解。

結束對冥王星的探測後,新視野號持續地往太陽系邊境邁進,下一個目標是探測古柏帶的其他星體。

新視野號路徑。(點圖放大)圖/NASA

古柏帶是位於海王星軌道外側的小行星帶,由早期太陽系沒有形成行星的碎片組成,並在太陽系演化過程中被拋到太陽系邊緣。之所以稱為小行星「帶」,是因為古柏帶實在是有很多星體;根據估計,古柏帶中直徑 100 公里以上的星體可能超過 10 萬顆,而直徑在 100 公里以下到 1~2 公里左右的小型星體更可能高達數十億顆。而新視野號剛飛過的冥王星,就是人類發現的第一顆古柏帶星體。

2015 年 8 月,研究人員在考量了新視野號的飛行路徑、燃料、通訊信號,以及星體的光線、大小等等複雜因素後,在有限區域內選定了編號為 2014 MU69,暱稱「終極遠境」的小行星作為古柏帶星體的探測對象。

到了台北時間 1 月 1 日下午 1 點半,是新視野號預計最靠近終極遠境的時刻,等待了約十小時,地球才終於收到第一個傳回來的訊號。參與任務的研究人員都歡聲雷動。NASA 署長布萊登斯坦(Jim Bridenstine)表示,這是太陽系探測史上的里程碑,終極遠境小行星不僅是目前人類探測到距離地球最遠的天體,同時蘊含了太陽系形成初期的遺跡,探測結果將為人類提供行星源起更進一步的細節。

新視野號第一時間傳回來模糊的照片。圖/NASA

根據日前傳回來的初步畫面,科學家推估終極遠境小行星是長約 32 公里、寬約 16 公里,不斷旋轉的保齡球狀星體(我看倒有點像雪人、雞腿、啞鈴、綠豆糕都可以),不過也有可能是兩個圓球非常接近地互相旋繞,詳細解析還有待新視野號慢慢將資料傳回地球。然而由於新視野號距離地球有 65 億公里遠,傳輸速度很慢,將照片和其他探測資料全部下載完大約還需要等 20 個月。

經過科學家的疊合(左側圖片),腦補推估出終極遠境示意圖(右側圖片)。圖/NASA

更新:NASA 再度公布最新照片,這次是由新視野號在距離終極遠境約兩萬七千公里處所拍的照片。由圖片顯示,終極遠境實為兩顆圓球靠在一起,於是研究人員把大的圓球稱為「終極」(Ultima),小的稱為「遠境」(Thule)。

在距離兩萬七千公里處拍攝得到較高解析度的照片(左圖),加上測得之顏色後合成為彩色圖(右圖)。圖/NASA

經過十三年的飛行,新視野號終於帶著我們進入遙遠的古柏帶,探測那些過往望遠鏡難以觀測的星體。接下來,研究人員還打算利用新視野號對古柏帶進行更多的探索,其任務至少會持續到 2021 年。隨著人類不斷往太陽系邊境前進,屆時對於整個太陽系的理解肯定又會比今天新增好幾倍,讓我們拭目以待吧!

 

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劉馨香_96
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生科系畢業,喜歡腦、神經與心智。

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感覺晚上精神特別好?癌細胞也是——趁你熟睡時偷偷進行的「癌症轉移機制」
Charlotte 熊_96
・2022/08/17 ・2776字 ・閱讀時間約 5 分鐘

我們都知道:癌症轉移,是惡化的開始
癌細胞轉移是幾乎是所有癌症狀況變糟的開始。

當癌細胞開始轉移的時候,情況可能會變得不太樂觀。 圖/elements

臨床上,癌症期別最常使用的是 TNM 分期系統:

T(tumor)為腫瘤大小
N(node)為淋巴結侵犯
M(metastesis)為遠端轉移

其中,轉移對於癌症期別的估測極為重要,「遠端轉移」的意思,便是癌細胞由原本的器官組織,跑到另一個器官。

癌細胞從原發器官脫落後,經過重重障礙,包括基底膜、細胞骨架、細胞外基質等,進入到淋巴或是血液循環,而抵達遠方組織,長出新的腫瘤。譬如說大腦本身原發的癌症非常少,如果發現病人腦中出現癌細胞,合理的推論是這個癌細胞來自其他器官,常見的腦轉移可能來自肺癌、乳癌等等。這些轉移可能導致病情更難以控制,到最後演變成多重器官衰竭。

癌細胞轉移的先鋒部隊——循環腫瘤細胞

循環腫瘤細胞(Circulating tumor cells)是癌細胞遠端轉移的前驅[1],血液中的循環腫瘤細胞量可以預測腫瘤的轉移能力,是一個腫瘤的生物指標。這些循環腫瘤細胞由原發的腫瘤剝落下來,進入血液循環。上皮細胞間質化(Epithelial to mesenchymal transition)是一個例子。

大部分的上皮細胞癌(譬如說大部分的乳癌、卵巢癌等等)都喜歡聚在一起,當細胞被打散反而生長得比較差,甚至無法生長。但是當這些細胞準備要遠端轉移時,他們會由表皮細胞轉換成間質細胞,脫離原本的基質,進入血液循環。

循環腫瘤細胞由原發的腫瘤剝落下來,進入血液循環。 圖/wikipedia

當他們準備好要「定居」在新的目標器官時,再由相反的程序–間質細胞上皮化而穩定下來。大部分的循環腫瘤細胞會在血液循環系統中死亡。但是少部分的癌細胞可以保持其繁殖的能力,在找到下一個器官並成功附著後,就是所謂的遠端轉移。

因此很多癌症只要有遠端器官轉移,就屬於三期癌症以上,無法進行局部治療(譬如手術切除),而必須要進行系統性治療,譬如像是化學治療、賀爾蒙治療、標靶治療、免疫療法等等。

晚上不睡覺的癌細胞又凶又積極

在 Nature 醫學新知中[2],密西根大學的 Harrison Ball 以及 Sunitha Nagrath 兩人對於癌症如何轉移有新的發現。

Harrison Ball 以及 Sunitha Nagrath 發現這些循環腫瘤細胞有他們特別喜歡出沒的時機當人沈睡之時

Masked thief using lock picker to open locked door stock photo
看來睡覺的時候除了小偷要防,還要小心癌細胞。圖/istockphoto

主宰人類晝夜規律的,是一個複雜的系統。其中包括許多賀爾蒙,如褪黑激素和皮質醇。研究者在 30 人組成的乳癌受試者中,分別在凌晨 4 點(休眠期)以及上午 10 點(活動期)取血液樣本,發現 78% 的循環腫瘤細胞在休眠期出現。

在他們建立的小鼠模型也發現一致的結果。這些模型包括使用藥物控制老鼠褪黑激素濃度、控制燈光以改變老鼠活動/休息期、基因改造過的紊亂晝夜週期老鼠等等。實驗的結果都指向循環腫瘤細胞在老鼠休息時表現特別活躍。

這些休眠期取到的腫瘤循環細胞,不僅在原宿主體內表現得比活動期取到的腫瘤循環細胞更具侵略性,當注入下一個小鼠體內時,一樣表現得比較惡形惡狀。

Harrison Ball 以及 Sunitha Nagrath 發現,這不是一個「被動」的原發腫瘤剝落過程,而是一個「積極」侵略的號角。在小鼠休眠時,這些腫瘤細胞內的蛋白質表現基因變得更活躍,可以產生更多的蛋白質,以利其生長及繁殖。

了解他們,打擊他們

知道這些細胞比較喜歡在哪個時機出沒有什麼好處呢?難道都不要睡,腫瘤就不會遠端轉移?大多數的醫學研究,基本上都會回歸到臨床治療中,而這項發現對於腫瘤科醫師而言,潛在很多益處。

大家不要因為睡覺的時候癌細胞比較容易出現就不睡覺喔!圖/elements

癌症的檢驗方式。Harrison Ball 以及 Sunitha Nagrath 的研究告訴我們,在宿主休眠時,循環腫瘤細胞的表現會增加,被診斷出癌症的機率也就上升。

目前要診斷癌症,僅有少部分可以用影像直接判斷(譬如肝細胞癌),但絕大部分都是需要透過取組織樣本進行病理鑑定(就算是血癌,雖然可以由抽血做初步判斷,但很多時候仍要取骨髓樣本)。畢竟癌症的治療,需要用到很多副作用強大的藥物,或是進到手術房切除身體的一部份。在這種狀況下,醫生絕對不能亂槍打鳥的判斷。

但取組織樣本是一個非常具有侵略性的醫療措施,比較「表淺」的部位,譬如皮膚、子宮頸、口腔等等的還比較好處理,如果是大腸癌可能就要借助大腸鏡,胃癌要胃鏡,肺臟等其他「深層」組織,就得要進到開刀房了。如果抽血就可以檢驗得到循環腫瘤細胞,絕對是非常有幫助的發明。

再來,治療疾病。當軍師算準了敵軍何時現身,我們就可以來個迎頭痛擊。

目前還沒有證據說循環腫瘤細胞大量表現時,施打藥物會比較有效果。也尚未有研究表明,一天之中施打藥物的最佳時機是什麼時候。相信這是將來另一個非常值得探討的議題。

目前尚未有研究表明,施打藥物的最佳時間點。 圖/elements

最後是追蹤。當治療到一定階段,病人被認定「康復」,實質意義上是「由目前的醫療技術無法偵測出體內有無癌細胞殘餘」。所以後續的追蹤是非常重要的,以免前期的辛苦,被後來的復發給全部抹滅。

如果將來可以用循環腫瘤細胞當成血液生物指標,那麼我們也可以根據這項研究,調整抽取血液樣本的時間,以期達到最精確的檢測結果。

不過就如所有必須應用到人體的研究一般,這項研究還是屬於早期萌發階段的研究。小鼠的模型建立起來,並且經過反覆認證還只是第一階段。如果真的要適用在臨床,還要經過醫學倫理委員會、第一期臨床、第二期臨床……等等漫漫長路。

然而這項研究,絕對開啟了血液樣本生物指標的一片新天地。也道出了癌症轉移的各項可能變因,包括賀爾蒙以及生物晝夜規律。這些積累,在日後都將是癌症治療的進步動力。

參考資料

  1. Poudineh, M., Sargent, E.H., Pantel, K. et al. Profiling circulating tumour cells and other biomarkers of invasive cancers. Nat Biomed Eng 2, 72–84 (2018). https://doi.org/10.1038/s41551-018-0190-5
  2. Nature 607, 33-34 (2022) doi: https://doi.org/10.1038/d41586-022-01639-6
Charlotte 熊_96
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著迷於世界的多彩,也希望帶給人對生命的熱愛。現任美國愛因斯坦醫學中心小兒科住院醫師,畢業於台大醫學系。目前最希望成為小兒心臟科醫師,也沒忘從高中就想去無國界醫生當臨時醫師的夢想。

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這是真的嗎?傳說級的暴龍之血,引起古生物學家的學術攻防戰!──《 誰讓恐龍有了羽毛? 》
臉譜出版_96
・2022/08/17 ・4514字 ・閱讀時間約 9 分鐘

流傳了六千萬年的血液!找到疑似暴龍的血管和細胞

體認到 DNA 不能持續存在個幾千年,讓大家失望不已。也因此,所有那些聲稱找到數百萬年前昆蟲、植物和細菌 DNA 的投稿文章,最後全都被學術期刊拒絕。

千萬年下來,DNA 幾乎無法保存良好,使得古生物學家難以藉此完全破解恐龍的秘密。圖/Pixabay

然而,要是恐龍化石中存在有其他種類的蛋白質呢?好比說骨骼中特定的蛋白質?一九九七年發表了一篇發現恐龍血跡的文章,又為大家帶來新希望。

由瑪麗.史懷哲(Mary Schweitzer)領導的蒙大拿州立大學(Montana State University)的研究團隊表示,他們已經從保存完好的暴龍骨骼中抽取出蛋白質和血液化合物。

若真是如此,這將使我們對恐龍的生理學有更進一步的認識——它們的血紅蛋白結構可能會提供攜氧能力的線索,解決恐龍是否為溫血動物的爭議。

瑪麗.史懷哲因為受到一具保存異常完好的暴龍骨架所啟發,而展開她尋找古代蛋白質的探尋。「就某些方面來看,它幾乎與現代骨骼相同,並沒有受到礦物質的填充,」她說。

外面一層緻密的骨層似乎阻止了水分進入,所以內部的骨骼看來和新鮮的一樣。史懷哲鑑定出這些內部區域的蛋白質和可能的 DNA。她這樣描述當時的興奮之情:

實驗室裡充滿了驚奇的低語聲,因為我注意到血管內有一些我們以前從未注意到的東西:微小的圓形物體,呈半透明的紅色,中間則是黑色的。

然後一位同事過來看了看,大喊道:「你找到紅血球。你找到紅血球了!這看起來就跟一塊現代骨骼一樣。

但是,當然,我無法相信。我問實驗室的技術員:「這骨骼畢竟有六千五百萬年的歷史。紅血球怎麼可能保存那麼久?」

瑪麗.史懷哲的研究團隊可能在暴龍的骨骼中,找到了牠們的血管以及細胞。圖/Science

然後我們對這根可能含有紅血球的骨骼進行測試。骨骼中似乎確實含有血紅素,這是血液中的血紅蛋白分子上負責攜帶氧氣的那部分。

血紅素呈紅色,這也是血液呈紅色的原因,因為這當中富含鐵,在與氧氣結合時就會呈現紅色,這有點類似鐵生鏽時會出現顏色變化的原理。

質疑:這些是恐龍本身的組織,還是外來汙染?

然而,許多其他科學家質疑這些報告,並認為骨骼中富含鐵的痕跡與血液或血液製品無關,可能只是這動物在遭到掩埋很長時間後進入骨骼的鐵質。

在受到許多評論——有些公平,有些可能不公平——後,瑪麗.史懷哲和她的團隊在二〇〇五年又在《科學》雜誌上發表了一篇後續文章,題為「暴龍的軟組織血管和細胞保存」(Soft-tissue vessels and cellular preservation in Tyrannosaurus rex)。

她的團隊溶解掉一些四肢部位堅硬骨骼的磷酸鈣,留下了由狹窄的血管組成的殘留物,其中包含可以擠出的圓形物體。

從圖 A 中可以發現,脫礦的骨骼基質具有彈性,在箭頭處,拉伸後仍然可以恢復,而在圖 C 箭頭處可以看到纖維狀的特徵。圖/Science

脫礦後的骨骼基質是纖維狀的,並保留了一些原始彈性——在一根將近有七千萬年的化石上,這是非常驚人的。

在後來針對相同材料的研究中,史懷哲和她的同事進行了一系列生化測試,試圖證明這些彈性纖維線是由膠原蛋白組成,就像在原始骨骼中那樣。

骨骼通常由兩種主要材料組成:磷灰石礦化針,這是一種磷酸鈣,會嵌入在纖維性的膠原蛋白中。正是這種彈性蛋白質和硬礦物質的結合,賦予活體骨骼有趣的特性,讓骨骼能夠彎曲(在某個角度範圍內),但彎太大還是會脆裂折斷。

在沒有磷灰石晶體的地方,膠原蛋白形成軟骨,這種柔軟的材料讓我們的耳朵和鼻子變硬,也是鯊魚骨骼的主要成分。

不久之後,在二〇〇八年,托馬斯.凱耶(Thomas Kaye)及其同僚將重新解釋所有這些化石發現,指出這全是人為因素所造成的。他們說,這個疑似血管的構造可能是細菌膜,而所謂的紅血球只是黃鐵礦晶體,是一種硫化鐵礦物。

反轉、反轉再反轉,究竟誰比較靠近真相?

瑪麗.史懷哲對這些批評並不買單,到了二〇一五年,她的研究似乎得到了另一個研究團隊的證實,他們表示從八塊白堊紀時代的恐龍骨骼中取得膠原蛋白和紅血球。

然而,到了二〇一七年,又有一篇文章發表,曼徹斯特的麥克.巴克萊(Michael Buckley)及其同事顯示,這些暴龍的膠原蛋白主要是由實驗室汙染物、土壤細菌以及鳥類血紅蛋白和膠原蛋白所組成的。

他們特別指出,那個所謂的恐龍蛋白質與現代鴕鳥的序列相吻合——這是很容易出錯的地方,若是在分析化石材料的實驗室中,也處理這些現代生物的樣本,就會出現這樣的錯誤。

然後,情況變得比較明朗。在二〇一八年的一篇論文中,耶魯大學的博士生亞斯米娜.偉曼恩(Jasmina Wiemann)帶領的一個小組再次研究了那些去除所有礦物質後的化石骨骼中的血管和其他褐色物質。

她進行了一連串複雜的測試,發現這些血管和組織都是真的,但其組成已經不是最初的蛋白質,可能只有膠原蛋白還保持原樣。

其他的成分都已腐爛,轉變成另一種形式,稱為N-雜環聚合物(N-heterocyclic polymers)——所以事實上,瑪麗.史懷哲是對的,她發現的確實是血管、皮膚細胞和神經末梢的一部分,只是在化石化的過程中,蛋白質發生本質上的轉變。

原始的膠原蛋白有可能被保存下來,但處理時必須格外小心,確保它沒有受到汙染。在一九九二年,荷蘭研究人員傑哈德.麥瑟(Gerard Muyzer)從兩隻白堊紀恐龍的骨骼中找到另一種骨蛋白,稱為骨鈣素(osteocalcin)。

有可能是骨鈣素(osteocalcin)讓恐龍骨頭組織可以逃離腐化的命運。圖/Wikipedia

骨鈣素存在於所有脊椎動物的骨骼中,其作用類似於荷爾蒙,可以刺激骨骼修復以及其他生理功能。骨鈣素是一種堅韌的蛋白質,可以非常牢固地與骨礦物質結合,正是因為如此,似乎可以逃過腐化的命運。

它也是一種相對較小的蛋白質,由大約五十個胺基酸組成。在二〇〇二年,曾經為一隻五萬五千年前的野牛化石的骨鈣素分子進行完整定序。也許有一天,我們也可以幫恐龍的骨鈣素定序。

雌、雄恐龍長得到底一不一樣?

長久以來古生物學家一直認為,恐龍具有雌雄二形性,也就是兩性的外觀不同,至少有些種類是如此,就如同之前在第四章中看到的。

在過去,有人曾認為晚白堊世長角的角龍類和長冠的鴨龍類這些植食性動物是如此,牠們的骨架組成大同小異,只是頭上頂著的冠或角不同。

但若根據這種說法,奇怪的案例就出現了:所有的雄性會在一個時期都生活在一個地方,而所有的雌性,也就是頭骨稍微有些差異的個體,則碰巧在另一個時期生活在另一個地方。

這個例子讓假設完全無法成立!

然而,近來恐龍的雌雄二型性再度成為焦點,因為現在我們可以辨識一些羽毛顏色和圖案細節。

有許多動物的雄性、雌性具有非常迥異的外表,恐龍是否也有類似的現象?圖/Wikipedia

現在普遍認為,許多恐龍的羽毛可能是用於展示,而條紋和頭冠則暗示著雄性在交配前的求偶展示,就跟多數鳥類一樣,而這正是性擇在恐龍演化中扮演的關鍵作用,如之前在第四章所提到的。

髓質骨,也許是破解恐龍性別的關鍵!

最棒的是,我們或許能夠根據這些明確的證據來辨別某些恐龍的性別。

大多數的雌鳥都長有一種特殊的骨骼叫做髓質骨(medullary bone),這是一種填充髓腔的海綿狀骨骼,會出現在某些肢體骨骼的核心。

在現代鳥類中,最初是一九三四年在鴿子身上注意到,然後在麻雀、鴨子和雞的骨架中也有觀察到。鳥的身體可以很快生成髓質骨,也可以很快地將其拆解回收,算是一種鈣質的儲藏庫,在需要形成蛋殼時可以快速釋出原料。

後來的研究發現,所有的現代鳥類都是如此。

生理實驗顯示,在雌鳥開始產卵時,髓質骨會在整套骨架的許多骨骼核心累積,然後隨著鈣進入發育中的蛋殼而減少。髓質骨的發育和轉移會隨著季節而出現週期性的變化,主要是受到雌激素(Oestrogen)和其他與繁殖週期相關的荷爾蒙所控制。

二〇〇五年,瑪麗.史懷哲首次在現代鳥類之外的暴龍身上發現髓質骨。從那時起,也陸續在其他獸腳類恐龍和鳥臀目中的腱龍(見隔頁)和難捕龍(Dysalotosaurus),以及已滅絕的孔子鳥和企鵝(Pinguinis)中發現。

由位於開普敦的南非博物館的阿努蘇亞.欽薩米-圖蘭(Anusuya Chinsamy-Turan)及其同僚所發表的一篇關於孔子鳥的研究特別有說服力,因為他們證明鑑定出髓質骨的化石都是雌性標本(參見下圖)。

白色箭頭處,即為雌孔子鳥的髓骨。圖/臉譜出版

在中國博物館蒐集到的數千個烏鴉大小的孔子鳥標本中,已經確定出雌雄兩性的形態。

有一個非常經典的標本是在同一塊石板上同時有雄鳥雌鳥——推測是雄鳥的那隻,長有旗桿般的長尾羽,而假設是雌鳥的那隻則沒有。

因此,就跟現代鳥類一樣,雄性長有荒謬的裝飾品,以便向較為敏感但外表單調的雌性炫耀,試圖展現牠強韌的特性,暗示牠將會是一個好父親。

欽薩米-圖蘭及其同僚在一個顯微切片中發現了位於內腔的髓質骨,其海綿狀的骨組織與一般較為規則和緻密的骨骼完全不同。髓質骨只有在雌性身上發現,從來沒有在雄性身上發現——雖然也不是所有的雌性都有,因為牠們死時並非都處於繁殖季。

不過,在其他例子中對於髓質骨的功能則還有爭議,比方說有研究指出在暴龍和異特龍等大型恐龍身上也有發現髓質骨。他們提出另一種解釋,認為些大型恐龍中之所以有海綿骨,可能與生長突增(growth spurt)有關。

有些體形較大的恐龍,生長速度非常快,幾個月內,體重可增加數百公斤,因此會需要快速取得和調動鈣質,我們將在第六章談這類恐龍。

在現生鳥類,甚至是化石鳥類中,髓質骨的存在是為了繁殖,這一點毋庸置疑,但只有在小型恐龍身上發現這類骨骼,也許是因為產卵對牠們來說是一項巨大工程,就像對今天的鳥類一樣。

從這一對孔子鳥的化石可以看見明顯的雌雄二型性。圖/臉譜出版

深入研究恐龍骨骼,認識牠們的生理機能和交配行為是一回事,但我們到底能不能一如本章開頭的主題所問的,設計出一隻活生生的恐龍呢?

——本文摘自《誰讓恐龍有了羽毛? 》,2022 年 7 月,臉譜出版

臉譜出版_96
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臉譜出版有著多種樣貌—商業。文學。人文。科普。藝術。生活。希望每個人都能找到他要的書,每本書都能找到讀它的人,讀書可以僅是一種樂趣,甚或一個最尋常的生活習慣。

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差點考倒古生物學家的大哉問:恐龍究竟是甚麼顏色?──《 誰讓恐龍有了羽毛? 》
臉譜出版_96
・2022/08/16 ・3583字 ・閱讀時間約 7 分鐘

想知道恐龍是什麼顏色?我們需要一臺時光機!

在導言中我提過恐龍的顏色,這個主題在最近的恐龍古生物學中,有一些令人興奮而且出乎意料的發現。之所以說是出乎意料,是因為古生物學界曾經感嘆,「我們永遠不會知道恐龍真正的顏色」。

我們或許可以從牠們的骨骼合理地重建其進食和運動方式,但要知道牠們的顏色,恐怕需要一臺時光機。

Phone Barney GIF
紫色《小博士邦尼》可能是某些人小時候的回憶,但事實上,我們可能永遠無法知道恐龍真正的顏色。圖/GIPHY

然而,正如我在導言中所提,關鍵在於鳥類羽毛和哺乳類毛髮的顏色大半是來自美拉寧黑色素的幾種變異型,其中一種稱為真黑色素(eumelanin),這會讓毛髮呈黑色、棕色和灰色,而另一種棕黑素(phaeomelanin)則會造成薑黃色。

哺乳類就只有這兩種色素,而鳥類的羽毛中還有另外兩種色素,一是卟啉(porphyrins)會產生紫色和綠色,另一個是類胡蘿蔔素(carotenoids),產生紅色和粉紅色。

關鍵在於黑色素是一種非常強韌的化學物質,可以承受大量的熱或壓縮,因此可以保留在化石中。

此外,兩種主要類型的黑色素分別包裹在不同形狀的囊中,稱為黑素體,真黑色素的黑素體呈香腸狀,而棕黑素的呈球形——這不論是在鳥類,還是在哺乳類中都是如此。

左圖呈香腸狀,是「真黑素」的黑素體;右圖呈球狀,是「棕黑素」的黑素體。圖/臉譜出版

因此,套用現存親緣包圍法的概念,即在演化上,哺乳類和鳥類這兩個演化分支會把恐龍「包圍」在當中,因此這套形狀-顏色關係很可能適用在所有被包圍進來的群體,包括恐龍在內。黑色素是在皮膚中產生,透過毛囊進入發育中的頭髮或羽毛中的黑素體內。

在二〇〇七年,我第一次有機會去中國,當時我和同事帕迪.奧爾及斯圖爾特.吉恩斯一起前去。我們在野外待了兩週,探索中國東北熱河層(Jehol Beds)的所有站點,那裡主要是一套早白堊世的地層,當中有許多帶羽毛的鳥類和恐龍標本,之後又在北京古脊椎動物與古人類學研究所的實驗室裡待了兩週的時間。

我們在那裡用顯微鏡觀察羽毛和皮膚的樣本,發現了一些看似很值得探討的例子。

科學家終於找到破案線索!化石中的黑體素

二〇〇八年時,我們看到當時還在耶魯大學讀博士的雅各布.溫塞爾所寫的那篇重要論文,當中描述他在來自巴西和丹麥的化石鳥類羽毛中發現了黑色素體,當時我們立即想到,「那我們也來看看是否能在恐龍羽毛中找到這些」。

於是我們跟北京古脊椎動物與古人類學研究所的張福成聯絡,他曾在二〇〇五年來布里斯托進行訪問,研究鳥類化石標本,並安排一些中華龍鳥樣本的借用事宜,包括來自不同身體部位的小片化石羽毛,他在二〇〇八年第二次前來訪問布里斯托。

那時我們發現了黑素體。

我們在二〇〇九年初寫了關於這項發現的文章,投稿到《自然》。就跟過去一樣,要說服所有的審稿人得花上很長的時間。這篇文章一共被審查了十二次——每次四位審稿人,一共有三輪——而且每次都有一位就是無法信服。

「這不是黑素體,這不是羽毛,那些也不是恐龍⋯⋯」

二〇〇九年初在我的年度休假期間,我去了耶魯,與溫賽爾和他的同僚討論,我們的文章最後終於在二〇一〇年二月發表出來。

我們在文章中指出,中華龍鳥有褐黑素體(phaeomelanosome),也就是含有薑黃色的色素囊,而且非常多。是薑黃色的!而且牠們的尾巴有條紋,由等長的白色和薑黃色條紋交錯而成。

所以,我們也發表了重建圖(下圖),並且很有自信地表示:「這份重建圖首次展現出恐龍的正確顏色。」

真黑素會讓恐龍的羽毛呈現黑色和棕色,棕黑素則是橙色。圖/臉譜出版

這點很重要:我們不是在發表什麼真知灼見,而是在陳述一個客觀事實,如果有人證明我們對黑素體的觀察是錯的,我們的這項陳述可能會被駁斥。

與此同時,由雅各布.溫賽特領導的耶魯大學團隊也發表了他們重建的恐龍顏色更為豔麗,是來自中國侏羅紀地層中的近鳥龍,牠的翅膀和尾巴上有黑白條紋,頭頂有一個可愛的薑黃色冠,臉頰上還有黑色和薑黃色的羽毛斑點。

那麼,這一切到底意味著什麼?確定恐龍的顏色可能是觸類旁通而來的聰明想法,也許能讓人津津樂道,覺得有趣,但它可以告訴我們任何有用的資訊嗎?

更多問題出現了:恐龍為甚麼有羽毛?

確定羽毛的顏色徹底改變了我們對恐龍行為複雜性的認識。

今天的鳥類之所以長羽毛主要有三個原因——保溫、溝通和飛行。很明顯地,保溫的功能是在飛行前就有的。鳥胸上的絨毛是為了保暖和調節體溫,這些羽毛的構造比飛羽簡單得多。

因此,若真的如巴克所提議的,假設恐龍長有羽毛,那很可能是為了要保溫。

然而,在我們二〇一〇年的文章中,我們的團隊和溫塞爾的團隊都主張羽毛在演化的早期顯然是為了溝通。然而,我們不能大膽地說這就是它們最初出現的原因——但那時它可能已經具有這樣的作用。

中華龍鳥的條紋尾巴和近鳥龍條紋翅膀和彩色頭冠,除了溝通之外別無其他功能。保溫或飛行並不需要有圖案。況且,這些顏色似乎也不像是用於偽裝的保護色——條紋尾巴有可能擔負這樣的功能,但是今天以條紋來偽裝的動物,好比老虎和斑馬,都是全身長滿條紋,而不僅僅是在尾巴上。

所以,這些訊號是為了傳達給異性的。

現在,我們可以想像雄性恐龍,尤其是小型的獸腳類,就像今日的許多鳥類一樣,會在雌恐龍面前炫耀展示牠們的這一身配備。

有許多鳥類演化出多彩的羽毛來求偶,例如雄孔雀即擁有一身華麗的羽毛圖案。圖/Wikipedia

鳥類之所以有這麼高的多樣性,光是目前已知的物種就將近有一萬一千種,其中一個原因就是性擇,這有助於維持和推動物種的分化,每個物種都有其特殊的羽毛圖案。

倘若剝掉羽毛,大多數樹棲型鳥類的骨架幾乎都相同,但是雄鳥的羽毛讓牠們氣宇軒昂地獨樹一幟,而且因為牠們交配前的舞蹈和展示只會吸引到同種雌性,因此不會雜交。

恐龍有「雌雄二形性」嗎?

意識到許多恐龍可能是經由性擇演化出來的之後,帶來了一個難題:牠們當中有很多都沒有展現出雌雄二形性(sexual dimorphism),即雌雄之間的形式差異。

今天,許多爬行類、鳥類和哺乳類會展現出雌雄兩性的差別——想想身軀光滑的母獅和體形碩大、長有鬃毛的雄獅,或是許多靈長類雄性,體形通常較大,牙齒也較大。

雄獅與母獅的外型相差許多,恐龍是否也有這樣的差異呢?圖/Pixabay

不過,也許鳥類提供了部分答案——儘管雌雄孔雀的外觀相去十萬八千里,但這一切都僅止於羽毛。牠們的骨架非常相似,可能僅有在一些小細節上有所不同。獸腳類恐龍的外觀可能也是如此。

這是近來辯論得最為激烈的一部分,有一派認為恐龍的角和冠是雌雄二形或性訊號的證據,但在另一派人眼中,這些結構則具有不同功能,例如進食、防禦或物種辨識。

凱文.帕迪安(Kevin Padian)和傑克.霍納(Jack Horner)在二〇一一年的一篇論文中為「物種辨識假說」提供了強有力的證據—─他們認為恐龍身上所有「怪異的結構」都是為了讓個體能夠辨識自己物種中的其他成員,也許是因為牠們身處的擁擠環境中,有許多外型相似的恐龍,需要相互保護。

在這樣的模型裡,性擇並不是那麼重要。

羅伯.柯內爾(Rob Knell)和史考特.山普森(Scott Sampson)對此直接予以反駁,他們認為物種辨識可能只是許多恐龍的角、冠和羽毛排列的次要功能,這種結構的演化和維持需要付出高昂的代價,而唯一能夠有效解釋的論據是性擇。

此外,他們指出,怪異結構的形狀和大小在單一物種間的變異很大,因此可能無法當作辨識物種的明確標籤,而是基於其他功能被挑選出來的,諸如配偶競爭,當作是與其他雄性戰鬥的武器,或是向雌性炫耀的裝飾品。

這場爭論還方興未艾,但所有證據都顯示恐龍的社會行為相當複雜,這表示牠們可能並不像過去人們所描述的那樣愚蠢。

——本文摘自《誰讓恐龍有了羽毛? 》,2022 年 7 月,臉譜出版

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