科學家取得重大發現,《侏羅紀公園》變成現實或更進一步

科學家取得重大發現,《侏羅紀公園》變成現實或更進一步
七千多萬年前,食草的斯氏亞冠龍在今天的蒙大拿州所在區域活動。一項關于年幼的斯氏亞冠龍的新研究發現了含有分裂細胞、細胞核和染色體的化石,以及些微DNA跡象。
繪圖:MICHAEL ROTHMAN
 
撰文:MICHAEL GRESHKO
 
  數十億年來,DNA一直是生命的信息分子,其中蘊含著如何以及何時構建生物體蛋白質的指令。但是這些生物信息能存留多久呢?在一項令人興奮的新研究中,一個國際研究小組揭示了一些保存完好的恐龍化石,其中一些化石含有疑似細胞的結構,甚至是可能構成恐龍原始DNA的結構。
 
  上周發表于《國家科學評論》的這項研究對兩頭斯氏亞冠龍的頭骨進行了深入研究。斯氏亞冠龍是一種食草恐龍,大約7500萬年前生活在如今的蒙大拿州。
 
  在這些微小的化石中,研究人員可以看到形似細胞的結構,其中一些凍結在分裂過程中。另一些則含有像細胞核一樣的暗球,細胞核是儲存DNA的細胞結構。其中一個細胞甚至似乎含有看起來像是一團線圈的類似染色體(在細胞分裂過程中形成的濃縮蛋白質和DNA鏈)物質。
 
科學家取得重大發現,《侏羅紀公園》變成現實或更進一步
其中一頭斯氏亞冠龍的軟骨中含有兩個處于分裂中期的細胞(左),細胞中的黑暗物質與細胞核相一致。在高倍鏡下(中心)可以看到,另一個細胞中含有類似濃縮染色體的物質。當浸泡在碘化丙鈉(用于為活細胞中的DNA染色)中時,分離的斯氏亞冠龍細胞內的小點會發出熒光(右),表明其中存在一種類似DNA的物質。
圖像:ALIDA BAILLEUL、WENXIA ZHENG
 
  中國古脊椎動物與古人類研究所博士后研究員、新研究的主要作者Alida Bailleul說:“這種保存水平達到了亞細胞程度,以前研究者從未報道過脊椎動物的類似情況。”
 
  為了檢測這些化石材料,研究人員將與活細胞DNA結合的染色劑涂在恐龍頭骨的碎片上。結果這些染色劑附著在恐龍化石細胞內的特定區域,使其發出紅色和藍色熒光。根據研究人員的判斷,這些染色劑結合的物質來自恐龍的原始分子,而不是外部污染物,比如細菌。
 
  這一發現是否意味著我們可以對恐龍的DNA進行測序?還差得遠。研究人員還沒有嘗試從化石細胞中提取DNA,所以他們還無法確定這些物質是尚未改變的DNA還是某種遺傳物質分解后的化石副產品。科學家們還警告說,如果這些恐龍細胞中存在DNA,那么很可能是微小的碎片,經過化學改變后與曾經的蛋白質混合在一起。
 
  “我們并不是像《侏羅紀公園》中那樣復原恐龍,”Bailleul說。
 
  盡管如此,這項研究還是告訴我們化石可以保存微觀結構,甚至是組成生物體細胞的分子痕跡,從色素到蛋白質等。最近的一項研究甚至在一個狄更遜水母(一種生活在5億多年前的生物)化石中發現了生物分子,研究者利用生物分子確認該生物是一種動物,而不是另一種生命形式。
 
  “這項研究仍處于起步階段,但如果我們暫停懷疑,深入研究數據,并繼續測試和完善我們關于化石中保存分子的觀點,那就仍然是一件令人興奮的事情,” 皇家安大略博物館的古生物學者David Evans說,他沒有參與這項研究。
 
令人震驚的細胞
 
  恐龍細胞化石的偶然發現始于上世紀80年代的蒙大拿州荒地,當時還在蒙大拿州的落基山脈博物館任職的查普曼大學古生物學者 Jack Horner發現了一個遺址,遺址中含有幾頭斯氏亞冠龍幼龍的骨頭。Horner對這些幼龍的肢骨進行了研究,后來他還在遺骸中發現了一些斯氏亞冠龍的頭骨。為了研究頭骨的內部結構,Horner和同事們將一些頭骨放入樹脂中,然后將其研磨成比頭發略粗的碎片。
 
  這些含有恐龍頭骨碎片的切片在落基山脈博物館里塵封了20多年。直到2010年,當時還是博物館的博士生的Bailleul將其取出,準備研究連接恐龍頭骨的小關節和縫合線。當Bailleul在顯微鏡下觀察薄切片時,她注意到一頭幼龍的上枕骨上存在微小的圓形構造,上枕骨是頭骨后部的一部分。
 
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研究人員在斯氏亞冠龍的上枕骨中發現了保存完好的細胞。隨著斯氏亞冠龍不斷成長,其頭骨的這一部分會從軟骨變成骨頭。
攝影:ALIDA BAILLEUL
 
  這些圓形結構看起來像細胞,Bailleul注意到許多圓形結構中內部有更小、更暗的斑點,類似細胞核。有些甚至含有纏繞在一起的線狀結構,這讓Bailleul聯想到染色體。
 
  “我嚇了一跳,離開顯微鏡,思考了一會,然后又回到顯微鏡,”她說。“我當時想,天哪,這不可能,這些結構不可能是別的東西!”
 
  Bailleul被所見驚呆了,好幾天都沒告訴別人。不過,Horner以前的博士生之一、北卡羅萊納州立大學的古生物學者Mary Schweitzer碰巧來參觀博物館。分子古生物學先驅Schweitzer曾發表過恐龍化石可以保存細胞甚至是其原始蛋白質的證據。
 
  Schweitzer對這些化石進行了研究,認為Bailleul發現了一些不同尋常的東西。在接下來的十年里,Bailleul和Horner、Schweitzer以及同事們共同研究這些化石,并將其作為一個長期的附帶項目。2014年,一個瑞典小組宣布他們發現了一種1.8億年前的蕨類植物化石,并在其中找到細胞核和染色體,這個消息極大提升了研究小組的信心。“當那篇蕨類植物的論文發表時,我當時的反應是,哇,太好了,我們沒瘋,”Bailleul說。
 
  在研究了細胞結構之后,研究小組希望更深入的解這些化石的組成成分。Bailleul參觀了Schweitzer位于北卡羅來納州的實驗室,并帶來了樣本進行測試,同時用新鮮的鴯鹋組織樣本對其研究工作進行雙重檢驗(在另一個實驗室,以避免污染)。
 
  首先,研究人員將化學染色劑注入與軟骨相連的化石,軟骨表明這些恐龍死亡時,正在發育的頭骨還沒有硬化成骨頭,正如研究小組所認為的那樣。之后,Bailleul和Schweitzer分離出一些化石細胞,并向其注入碘化丙啶和DAPI——兩種廣泛用于醫學研究的化學染色劑,可對新鮮的DNA染色。不出意料的是,鴯鹋的細胞更能吸收染色劑,但染色劑也會黏著在恐龍細胞化石的特定區域。
 
  “我甚至不愿意稱它為DNA,因為我很謹慎,不想夸大結果,” Schweitzer說。“這些細胞中的某種物質在化學上與DNA一致,并做出類似DNA的反應。”
 
DNA如何變成化石?
 
  如果這些恐龍化石中存在完整的DNA,科學家可能需要重新評估DNA的頑強程度。過去的研究發現,骨骼中的遺傳物質會在幾百萬年后分解。迄今為止最古老的完整基因組來自在西伯利亞發現的一塊70萬年前的馬骨,那匹馬自從死后就一直封存在永久凍土帶中,而斯氏亞冠龍的骨骼化石則要比前者古老近100倍。
 
  動物生前其骨頭含有很多氣孔,因此死后它們就變成不完美的時間膠囊。Schweitzer說,保存下來的恐龍細胞很可能是嵌在軟骨里,軟骨里沒有氣孔。軟骨的結構可能更有效地保存了細胞內部結構及其化學成分。
 
  Evans說:“鈣化的軟骨可能是尋找其他化石中保存完好的生物分子的理想場所,因為這種組織可能比骨頭更不容易內部腐爛和受到污染。在鈣化的軟骨中,細胞被困在基質中,更有可能被保存在封閉的微環境中。”
 
  盡管有軟骨的保護,化學染色劑可能不會與化石中未改變的DNA結合。但Bailleul和Schweitzer說,如果存在DNA,它之所以能保存下來,可能是因為一條DNA鏈的不同部分形成了額外的化學鍵。在生物體內,這種被稱為交聯的反應毒性非常強,一些抗癌藥物會在腫瘤DNA中誘發這些化學鍵。不過,在變成化石的過程中,這些化學鍵可能有助于DNA保持長期穩定。
 
  Jasmina Wiemann是耶魯大學的博士生,專門研究生物分子如何變成化石。她說,DNA和蛋白質之間的交聯也有助于生物分子變成化石。過去的研究表明,DNA和組蛋白(充當組遺傳物質線軸的蛋白質)可以相互結合。她補充說,研究者需要進行更多的化學分析來證實這一觀點。
 
  如果這些恐龍細胞中保存了未改變的DNA(一個主要假設),化學染色劑告訴我們,DNA鏈包含至少6個堿基對——DNA梯狀結構的單個 “梯級”。盡管這些染色劑只提供了最短的DNA片段,如此短的片段可能對DNA測序沒有用處。加州大學圣克魯斯分校的古基因組學者Beth Shapiro說,古代DNA研究人員通常會忽略少于30個堿基對的DNA片段,因為如此微小的遺傳物質片段沒有包含足夠的信息,無法被精確地放入基因組中。將這么小的DNA片段插入一個完整的基因組,就像試圖在《白鯨記》中找到一個特定的句子,而已知的信息卻只有其中含有“鯨魚”這個詞。
 
  不過,無法進行測序的化石DNA仍然很有用處。Wiemann和其他人已經證明,即使是高度改變的化石蛋白質也能保存有價值的信息,比如該動物的代謝率,DNA殘留物可能也是如此。
 
  研究者需要更多的化學分析才能確定這些恐龍頭骨碎片中究竟包含什么,但Bailleul希望未來科學家們能夠完全理解DNA是如何形成化石的,以及這些保存下來的碎片中可能包含哪些遺傳信息。
 
  “如果我們什么都不做,那我們就算不上真正的科學家,”Bailleul說。“我知道這只是初步的研究,但如果沒有人邁出第一步,那就永遠不會有任何進展。”
 
(譯者:流浪狗)
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