白堊紀的復活節彩蛋

Storyteller/Lereage

在歷史博物館或是文物收藏館內,珍藏的黑白照片與紀錄片,記載了歷史的足跡與發展,然而缺色如缺憾,少了一些真、一點溫度,雖有復古美感,然如花花世界剎那間抹上一層灰,不再斑斕美麗。化石,猶如自然歷史的紀錄片,精美地刻畫生物演化的歷史,也如黑白紀錄片一般,失去了過往生物最美麗一部分-色彩。現今科學技術利用黑白飽和度對比,可嘗試還原舊相片與影片的色彩。那,過去生物的亮麗外表,是不是也能重現天日?

在臺灣的端午節,小朋友們紛紛在戶外,戰戰兢兢地放開手,試著讓雞蛋立起來;在西方的復活節,小朋友不立蛋,而是發揮創意,忙著幫蛋上色。或許小朋友們的純真,確實是科學上創意的來源。仰藉生物化學分析技術的快速發展,科學家嘗試利用各種儀器,試圖重現恐龍羽毛的色彩。這些化學分析技術,也可應用在蛋殼上,究竟恐龍蛋是如同鴯鶓蛋般呈現藍綠色?帶有斑點?或是如土雞蛋的紅棕色(圖一)?

圖一、鴯鶓蛋。(圖片來源

事實上,蛋殼的顏色是由兩種蛋白質所決定,分別為藍綠色的膽綠質(biliverdin)與紅棕色的原紫質(protoporphyrin),兩者都是血紅素原合成路徑的中間產物,這些色素同樣存在於人類體內。所謂的「黑青」,其青色就是前者的膽綠質累積所造成。根據這兩種色素不同濃度的組合,造就出蛋殼多彩的風貌。這兩種色素是否同樣存在於恐龍蛋殼之中?拜今日化學分析技術進步所賜,古生物學家有機會一窺白堊紀恐龍蛋的色彩。

筆者偕同波昂大學的實驗室同儕們採集數枚來自中國不同化石產區的同種蛋殼,皆屬於竊蛋龍類的黃氏河源龍所產。利用質譜儀進行化學分析,試圖尋找膽綠質與原紫質的蹤跡。分析結果顯示,來自中國河南、山東、廣東等地的同樣恐龍蛋化石,都發現了膽綠質與原紫質的蹤跡。排除沉積物與汙染,這樣的結果說明黃氏河源龍的蛋殼普遍帶有這兩種蛋白質,僅是根據化石產地的保存狀況而有不同量的色素殘餘。

 

圖二、質譜儀基本結構,包括離子源、帶有磁場的質量分析儀、與偵測器。事實上質譜儀型式多樣,利用工作原理的不同可分出許多不同類型的質譜儀。筆者所使用的是利用各種分子離子化後的荷質比不同,根據走時差異所區分的四極棒暨飛行時間串聯式質譜儀(ESI-Q-TOF)。(圖片來源:維基百科

質譜儀是利用離子化後的元素或分子的荷質比(電荷量比上質量)不同來鑑定,基本上分為三個部分,離子源、質量分析儀、偵測器(圖二)。首先,偵測樣品經過離子源成為帶電的離子,這些帶電的離子進到加有磁場的質量分析儀內後,因為荷質比的不同,使得這些離子在時間或空間上產生區隔,藉此可鑑定出樣品的化學成分。筆者利用四極棒暨飛行時間串聯式質譜儀(ESI-Q-TOF),可利用磁場分異樣品中離子化後各種成分,荷質比越高者,飛行速率越快,飛行時間即越少;反之,荷質比越低,則飛行速率越低,飛行時間也越長。筆者利用鷸鶓蛋殼中的原紫質與膽綠質做為標準物,設定原紫質的荷質比為563.2623(m/z),而膽綠質的荷質比為583.2551(m/z)。由圖三的質譜圖可看出,三個化石產地的同種蛋殼在563.2623與583.2551的荷質比上有明顯波峰,說明這些色素的確尚保存於蛋殼中。

除了發現生化分子的保存這項指標,恐龍蛋殼的色素又告訴我們什麼事情呢?在所有的卵生動物中,爬行動物如鱷類、哺乳綱單孔目的針鼴或鴨嘴獸,他們的蛋殼都是白色的,這是因為他們都將產下的蛋埋於土壤中,在掩埋的情況下,顏色便失去了意義,蛋也不需要藉由色素來形成保護色。許多將蛋產在坑內的鳥類,例如塚雉,其蛋殼也是白色的。因此,化石蛋殼中色素的發現說明,黃氏河源龍產卵時,可能是產在開放性的巢中。

圖三、左為膽綠質分析的質譜圖,由上至下為五個質譜圖分別為做為膽綠質萃取物、中國河南省產的蛋殼、江西省產的蛋殼、廣東省產的蛋殼,以及沉積物。右為原紫質的質譜圖,由上至下為做為原紫質萃取物、鴯鶓蛋殼萃取樣本、以及中國河南省產的蛋殼、江西省產的蛋殼、廣東省產的蛋殼。兩圖的縱軸代表偵測到的訊號強度,橫軸為飛行時間。根據荷質比,膽綠質的飛行時間約為8分鐘;而原紫質的飛行時間約為14分鐘,可在兩圖看到對應時間上都有明顯的波峰,表示偵測到色素的蹤跡。(圖片來源:參考資料2,筆者的研究)

 為了確認黃氏河源龍的巢穴型態,筆者也分析了蛋殼的孔隙率。比較築開放性巢穴的鳥類與埋蛋於沙土中的鱷類,其蛋的主要差異在於孔隙率。鱷類因將蛋埋於土壤中,為了使氣體流通順暢,鱷蛋的孔隙率相較於在開放性巢穴內的鳥蛋來得高。孔隙率分析結果顯示,黃氏河源龍蛋的中段孔隙率最高,其次是銳端,最後是鈍端部分。說明黃氏河源龍的蛋當時可能僅有中段到銳端部分埋於土壤當中。

圖四、現藏於台灣石尚博物館的竊蛋龍骨盆腔內嵌對蛋標本。

綜合上述推論,究竟黃氏河源龍是怎麼生蛋築巢的呢?此問題必須引述2005年於Science上的一篇經典論文,由國立自然科學博物館程延年博士(筆者恩師)等人所發表,報導一件竊蛋龍骨盆標本,其骨盆腔內竟藏了一對蛋(圖四)!該研究說明,竊蛋龍每次產兩顆蛋,其生殖系統介於爬行動物(雙輸卵管、一次下多顆卵)與鳥類(單輸卵管,一次一顆卵)之間。且仔細觀察其腹中對蛋排列方式(鈍端朝向頭部),我們可以推測,竊蛋龍類生蛋的時候,是先築起一小丘,母親立於丘頂轉動身體生蛋(銳端先出),將銳端插在土壤中,生完第一圈後,便覆蓋一層土壤,再接著生第二圈甚至第三圈蛋(圖五)。至於究竟竊蛋龍孵不孵蛋?便待後續研究、下回分曉。

圖五、現藏於台灣石尚博物館的竊蛋龍窩蛋標本,比例尺為10公分。

仰藉化學分析技術的進步,繼北卡羅萊納大學團隊在2005年發表於Science上一篇關於發現霸王龍紅血球細胞的文章後,筆者與波昂大學團隊發現蛋殼中的色素殘餘物,開啟新一波尋找化石軟組織保存的研究風潮,也提高恐龍蛋於古生物研究中的新契機。發現軟組織或是生物分子的工作,不僅可能化侏羅紀公園劇情成真,最重要的是,這些生物分子背後所含的生物學意義,舉凡恐龍的生理學、行為學、以至於生態學問題,都可望有解。

 

參考文獻:

Sato, T., Cheng, Y.-N., Wu, X.-C., Zelenitsky, D. K., Hsiao, Y.-F., A pair of shelled eggs inside a female dinosaur, 2005. Science 308: 375.

Wiemann, J., Yang, T.-R., Sander, P. N., Engeser, M., Kath-Schorr, S., Müller, C. E., Schneider, M., and Sander, P. M., The blue-green eggs of dinosaurs: How fossil metabolites provide insights into the evolution of bird reproduction, 2015. PeerJ Preprint 3: e1323.