|
|
|
谁让恐龙有了羽毛：科学家可以从鸟类基因做出“复制龙”吗？
摘要:
现在科学家普遍认为，许多恐龙的羽毛可能是用于展示，就跟多数鸟类一样，而这正是性择在恐龙演化中扮演的关键作用。图为生活在大约 1.44 亿年
 现在科学家普遍认为，许多恐龙的羽毛可能是用于展示，就跟多数鸟类一样，而这正是性择在恐龙演化中扮演的关键作用。图为生活在大约 1.44 亿年前的恐爪龙模拟标本，恐爪龙是现代鸟类的祖先。 图／伦敦自然历史博物馆 ▌本文为《谁让恐龙有了羽毛？ ：从颜色、行为到奔跑速度，科学如何改写恐龙的历史与形象》（脸谱出版，2022）书摘 长久以来古生物学家一直认为，恐龙具有雌雄二形性，也就是两性的外观不同，至少有些种类是如此。在过去，有人曾认为晚白垩世长角的角龙类和长冠的鸭龙类这些植食性动物是如此，它们的骨架组成大同小异，只是头上顶着的冠或角不同。但若根据这种说法，奇怪的案例就出现了：所有的雄性会在一个时期都生活在一个地方，而所有的雌性，也就是头骨稍微有些差异的个体，则碰巧在另一个时期生活在另一个地方。这个例子让假设完全无法成立！ 然而，近来恐龙的雌雄二型性再度成为焦点，因为现在我们可以辨识一些羽毛颜色和图案细节。现在普遍认为，许多恐龙的羽毛可能是用于展示，而条纹和头冠则暗示着雄性在交配前的求偶展示，就跟多数鸟类一样，而这正是性择在恐龙演化中扮演的关键作用。 最棒的是，我们或许能够根据这些明确的证据来辨别某些恐龙的性别。大多数的雌鸟都长有一种特殊的骨骼叫做髓质骨（medullary bone），这是一种填充髓腔的海绵状骨骼，会出现在某些肢体骨骼的核心。在现代鸟类中，最初是一九三四年在鸽子身上注意到，然后在麻雀、鸭子和鸡的骨架中也有观察到。 鸟的身体可以很快生成髓质骨，也可以很快地将其拆解回收，算是一种钙质的储藏库，在需要形成蛋壳时可以快速释出原料。后来的研究发现，所有的现代鸟类都是如此。生理实验显示，在雌鸟开始产卵时，髓质骨会在整套骨架的许多骨骼核心累积，然后随着钙进入发育中的蛋壳而减少。髓质骨的发育和转移会随着季节而出现周期性的变化，主要是受到雌激素（Oestrogen）和其他与繁殖周期相关的荷尔蒙所控制。 二○○五年，玛丽．史怀哲首次在现代鸟类之外的暴龙身上发现髓质骨。从那时起，也陆续在其他兽脚类恐龙和鸟臀目中的腱龙和难捕龙（Dysalotosaurus），以及已灭绝的孔子鸟和企鹅（Pinguinis）中发现。由位于开普敦的南非博物馆的阿努苏亚．钦萨米－图兰（Anusuya Chinsamy-Turan）及其同僚所发表的一篇关于孔子鸟的研究特别有说服力，因为他们证明鉴定出髓质骨的化石都是雌性标本。 现已灭绝的孔子鸟化石，和现代鸟类同样拥有特殊的“髓质骨”结构。 图／维基共享 孔子鸟模拟图，科学家推测雄鸟长有旗杆般的长尾羽，就跟现代鸟类一样，雄性长有荒谬的装饰品。 图／美国自然史博物馆 在中国博物馆搜集到的数千个乌鸦大小的孔子鸟标本中，已经确定出雌雄两性的形态。有一个非常经典的标本是在同一块石板上同时有雄鸟雌鸟—推测是雄鸟的那只，长有旗杆般的长尾羽，而假设是雌鸟的那只则没有。因此，就跟现代鸟类一样，雄性长有荒谬的装饰品，以便向较为敏感但外表单调的雌性炫耀，试图展现它强韧的特性，暗示它将会是一个好父亲。 钦萨米－图兰及其同僚在一个显微切片中发现了位于内腔的髓质骨，其海绵状的骨组织与一般较为规则和致密的骨骼完全不同。髓质骨只有在雌性身上发现，从来没有在雄性身上发现—虽然也不是所有的雌性都有，因为它们死时并非都处于繁殖季。 不过，在其他例子中对于髓质骨的功能则还有争议，比方说有研究指出在暴龙和异特龙等大型恐龙身上也有发现髓质骨。他们提出另一种解释，认为些大型恐龙中之所以有海绵骨，可能与生长突增（growth spurt）有关。 有些体形较大的恐龙，生长速度非常快，几个月内，体重可增加数百公斤，因此会需要快速取得和调动钙质。在现生鸟类，甚至是化石鸟类中，髓质骨的存在是为了繁殖，这一点毋庸置疑，但只有在小型恐龙身上发现这类骨骼，也许是因为产卵对它们来说是一项巨大工程，就像对今天的鸟类一样。 深入研究恐龙骨骼，认识它们的生理机能和交配行为是一回事，但我们到底能不能设计出一只活生生的恐龙呢？ 一只雌性孔子鸟的显微切片，当中发现了位于内腔的髓质骨（白色箭头处），其海绵状的骨组织与一般较为规则和致密的骨骼完全不同。 图／脸谱出版提供 ▌我们可以用基因工程让恐龙复活吗？ 也许我们永远无法恢复任何恐龙的DNA，因为这种生物分子会迅速衰变。但有可能进行复制（cloning）吗？我们都听说过桃莉羊（Dolly the sheep）的故事，也不断有人建议科学家应用这种技术来让猛犸象复活。这真的行得通吗？ 一九九七年宣布桃莉羊诞生时，引起了科学界的轰动。一九九五年，在爱丁堡附近的罗斯林研究所（Roslin Institute），有一群科学家在研究对农场动物进行基因修正的方法。他们用实验室培养数周的胚胎细胞来复制两只绵羊，梅根和莫拉格，但梅根和莫拉格发育得不好，也无法生育。桃莉出生于一九九六年七月五日，尽管全世界直到隔年的年初才知道她的存在。她是第一只从成熟细胞，而不是胚胎细胞，复制出来的哺乳类，她的出生—举世轰动，成了各家报纸的头版头条—让各种和复制有关的问题成了世界各地闲话家常的主题。 可惜桃莉在二○○三年二月就往生。她的早夭是否源自于它是复制出来的？桃莉羊算是不自然的造物吗？就像是由实验室疯狂科学家创造的科学怪人那样吗？复制在伦理层面引发很多争论。有些人出于宗教或政治理由而完全反对基因工程，另一些人则认为科学家应该可以自由地进行实验，不断将人类知识的前沿往前拓展。在食物生产上，过去几十年来植物的基因工程已经成为农业的常态，大多数的玉米以及我们食用的许多其他谷物和豆类，都因为要提高作物产量或营养成分而经过基因改造，成为所谓的基改食物。 Clone一词的意思是“复制”，而复制的概念就是想办法略过正常的受精过程，直接用卵内的DNA发育成动植物的成体。在实验室，执行复制的步骤是：（1）从想要复制的动植物细胞中取出一些完整的DNA；（2）移除宿主动物卵细胞中的细胞核；（3）将DNA注入清空的宿主卵细胞；（4）在母体动物的子宫内培育这种细胞，应当是亲缘关系非常近的物种。这就是复制桃莉羊的方式，一路从复制到发育和成长的过程。 在尝试以复制技术来复制灭绝物种时，生物科技专家首先聚焦在濒危物种上。其中一个例子是生活在印度和东南亚的大型物种：印度野牛。它的体形壮硕，肩高约两公尺，体重超过一公吨。过去很常见，但由于人类捕猎，其族群数量已减少到约三万六千只。 1996年7月5日经复制科技诞生、2003年往生的桃莉羊标本。 图／维基共享 所以，美国麻萨诸塞州的先进细胞科技（Advanced Cell Technology）决定尝试在印度野牛身上进行复制实验。这间生物技术公司的做法与复制桃莉羊的过程略有不同，是选用另一个物种来当孕母。尽管他们可以直接将野牛的卵植入到雌性的野牛体内，但他们想以这项实验来测试复原灭绝物种的可能性。如果一个物种已经灭绝，那就没有活着的母体可孕育胚胎，只能使用相近物种的雌性。 二○○一年，该公司的科学家宣布第一只复制的濒危动物成功诞生，但不久后就夭折。这只名为诺亚（Noah）的幼牛在四十八小时内死亡。先进细胞科技的研究人员表示，早夭的问题不太可能是因为复制的过程所引起的。复制的细胞是植入在一头名叫贝西（Bessie）的家牛的子宫中。 诺亚是透过跨物种的复制过程所产生的。它的遗传物质是取自八年前死亡的一头雄性印度野牛的皮肤细胞，将其抽取后与普通乳牛的去核卵细胞融合。这个实验总共使用了六九二个卵细胞，最后只成功产下一只活体—诺亚。诺亚死于一种常见的疾病（痢疾），这可能与它是透过复制而来的事实无关。代孕的母牛贝西依然健康。 第一次尝试复活灭绝的物种是庇里牛斯羱羊（Pyrenean ibex）。这种羱羊过去生活在庇里牛斯山脉，后来因为大量猎杀而灭绝。最后一只活着的庇里牛斯羱羊是一只名叫西莉亚（Celia）的母羊，她的尸体在二○○○年被发现。在她死前，西班牙生物学家抓住了她，并从她的耳朵里采集了组织样本。复制出诺亚的先进细胞科技宣布，西班牙政府已委托他们复制庇里牛斯羱羊，尝试要恢复这个灭绝的物种。 该公司使用了来自西莉亚耳朵的样本，抽取成体细胞，并将它们与去除细胞核的山羊卵细胞融合。然后选择一般饲养的山羊当孕母，将庇里牛斯羱羊胚胎植入其体内。在经过几年的失败后，到二○○九年，山羊妈妈终于成功生下两只庇里牛斯羱羊宝宝──但遗憾的是，它们在出生后不久就夭折了。二○一四年再度展开进一步的复制尝试，若是复制出来的子代能够存活，或许就可望复活一个灭绝的物种。 还有许多其他复制计划试图以近来灭绝的哺乳类的遗传物质来尝试，这是一门称为灭绝物种重生（de-extinction）或复活生物学（resurrection）的新科学。目标并不仅有庇里牛斯羱羊，还包括袋狼、塔斯马尼亚虎、野牛、欧洲野牛、斑驴（一种已灭绝的斑马）和旅鸽。有几个更有雄心壮志的团队正在谈论复制和猛犸象重生计划，企图使用雌性的亚洲象来当代理孕母。不过到目前为止，这一切都还只是空谈，没有具体结果。 若是连以亲缘关系很接近的物种来代孕（例如庇里牛斯羱羊和一般山羊）都很难成功，那么亚洲象和猛犸象这种跨物种的组合在技术上会有多困难？至于恐龙，哪个物种最适合当它们的代理孕母？当然，它们像鸟类和鳄鱼一样会下蛋，所以不必真的将诡异的恐龙胚胎放在孕母的肚子里，而是像电影《侏罗纪公园》所演的，生物科技专家会以遗传工程设计出恐龙胚胎，诱导其在现生物种的卵内发育。但我们离这个阶段还非常、非常遥远。 侏罗纪系列电影中，生物科技专家以遗传工程设计出恐龙胚胎，诱导其在现生物种的卵内发育，但目前技术离这个阶段还非常、非常遥远。 图／《侏罗纪世界》剧照 恐龙蛋和成形的恐龙胚胎化石。 图／伦敦自然历史博物馆 ▌我们真的对恐龙基因体有任何认识吗？ 基因体是指细胞中含有的所有遗传密码。分子生物学家在谈基因体时，会谈到两个层面，一是整体大小，也就是基因的总数，这是指基因体中具有特定功能的部分，另一是它在染色体中的组织方式，在细胞核内X形和Y形的结构。 就整体基因体大小而言，鸟类、兽脚类和蜥脚形类恐龙的基因体很小，鸟臀类恐龙的基因体则大得多。没有人真的见过恐龙的基因体，但目前已知基因体的大小，会与细胞平均大小相关。因此在测量化石骨骼中的细胞后，克里斯．欧根（Chris Organ）及其同僚能够由此来推测整个基因体的大小。他们认为，这些恐龙和鸟类的基因体之所以比较小，可能是因为它们是温血动物，尤其是因为兽脚类恐龙和鸟类开始飞行之故。 一篇二○一八年发表的研究报告表示科学家们已重建出恐龙的染色体组织。在这篇文章中，肯特大学的分子生物学家蕾贝卡．欧康纳（Rebecca O’Connor）和她的团队绘制出现代鸟类和爬行类不同染色体上的DNA，并寻找当中共同的部分。在比较鸟类和海龟的完整基因序列后，他们可以确定这囊括了从海龟和鸟类之间的所有相关物种，其中包括恐龙。 这个团队使用萤光标记或所谓的“DNA探针”（DNA probe）来辨识海龟和鸟类之间共有的基因序列，之后他们便可以假设这些序列都已存在于海龟和鸟类的共同祖先中—这应当是一种生活在三亿多年前的爬行类，远在恐龙起源之前。而且，海龟和鸟类共享的DNA特征几乎可以肯定也存在于恐龙的基因中。 鸟类的部分DNA特征可以肯定也存在于恐龙DNA当中。图为介于有羽毛恐龙和鸟类之间的过渡物种始祖鸟想像图及化石。 图／伦敦自然历史博物馆 鸟类的染色体显然可能与兽脚类恐龙在早期就演化出许多独特的鸟类特征（包括羽毛、空心骨和叉骨）有关。图为生存于白垩纪前期的中华龙鸟化石，是目前所发现拥有化石化羽毛痕迹的恐龙中，年代最早而且最原始的。 图／维基共享 他们最后的结论是，现代鸟类遗传密码中的大部分元素，以及这些在其四十对染色体中的排列方式都存在于祖先型中，也就是说，在恐龙起源之前，就发生过造成今日组合的基因重组，而且恐龙很可能也共享这样的遗传组合。这是一项了不起的发现，因为这意味着鸟类遗传密码的一些特殊特征出现的时间比预期的要早得多。例如，鸟类拥有多达四十对染色体（相比之下，海龟有三十三对，而人类是二十三对），而且新的证据显示染色体的增殖发生得较早，恐龙也都共享了这样的遗传结构变化。 在辨识完所有爬行类和鸟类共有的祖先基因序列后，就等于是有了恐龙基因体的最小组成模板。然而，作者群很明智地对于这项发现是否可以作为复制恐龙的基础不置可否。他们确实提出“恐龙染色体的整体基因体组织和演化⋯⋯可能是造成它们形态差异、生理、形态变化率和最终存活率高的主要因素”。他们还指出，很早就获得类似鸟类的染色体显然可能与兽脚类恐龙在早期就演化出许多独特的鸟类特征（包括羽毛、空心骨和叉骨）有关。 让恐龙起死回生的计划并不乐观。纵使已经有了技术方法，但由于DNA的保存不易，所以目前看来要取得恐龙DNA的希望渺茫。少了DNA中的遗传密码，就不可能出现《侏罗纪公园》的场景。即使我们可以复制已灭绝的动物—到目前为止我们还没有真正成功—我们仍然需要遗传密码。 然而，这种探求并非毫无结果。有些人可能被他们的热情冲昏头，在没有审慎评估数据品质前，就急于公告他们奇迹般找到在恐龙时代保存下来的DNA、红血球和其他不可思议的例子，但目前这些都是相当棘手的领域。也有其他人以同样的角度来谴责我们对黑色素和黑素体的看法。古生物学最傲人之处就在于这领域都是完全跨学科的，囊括了分子生物学家、遗传学家和有机化学家的专业知识。愿追寻非凡化石的精神亘古永存！ 让恐龙起死回生的计划并不乐观，少了DNA中的遗传密码，就不可能出现《侏罗纪公园》的场景。 图／《侏罗纪世界》剧照 |
