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同步輻射:臺灣科學神燈下的恐龍世界

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祿豐龍簡史

恐龍是地球上最神祕的史前生物,它巨大身軀的奧祕一向是科學家最感興趣的議題。古生物學家發現在白堊紀時(約6,550萬年前)地球上曾發生一次大規模的物種滅絕事件,當時地球上大部分的動、植物都未能倖免,當然恐龍也沒能獨外。

這些恐龍的遺骸被埋在泥沙中甚至水中,遺骸中的有機物質受到食物鏈底層的昆蟲及細菌吞噬與分解,所剩下較堅硬的外殼與骨頭受到經年累月雨水的沖刷、地下水的滲透及侵蝕,在環境中產生碳酸鹽化或矽酸鹽化的礦化作用,成為現在發現的恐龍化石。

考古學家發現:恐龍骨頭化石的內部可能會在特殊的環境中保留其原有的細部結構,這可能性恰好提供古生物學家進一步探討恐龍與現生動物間的演化過程,以及為什麼牠會擁有如此巨大的身軀,同時可以推測地球的環境變遷。

臺灣是歐亞大陸與菲律賓板塊互相推擠所形成的島嶼,地層甚為年輕,只有六百萬年左右,不可能有超過千萬年以上的恐龍化石。因此臺灣古生物的研究經常要遠赴歐美及中國大陸去尋找恐龍化石,透過與當地學者或自然博物館合作才能進一步解開古生物的謎團。

以往,中國雲南省祿豐縣大窪的農民在整地播種時,常會發現一些巨大且形狀不同的石頭。曾有農民撿拾到一段圓柱狀且兩端都有凹槽的石頭,由於適合做為燈座,就帶回家使用。除此之外,有農民把撿拾的「石頭」做為家中的裝飾品及建構屋子周圍石牆的材料。

中國的地質學家卞美年先生在一次偶然的機會作客於大漥,發現到這個形狀特殊的石頭燈座,仔細觀察下他認為這可能是一個史前巨大古生物的脊椎骨化石。從那時起,中國大陸的古生物學家就在祿豐縣大漥進行了大規模的史前古生物的探索,展開了中國恐龍的探索旅程。

1941年楊鍾健先生把第一隻在祿豐縣大窪發現的恐龍化石組架並取名為許氏祿豐龍(Lufengosaurus huenei),當地政府並為楊先生塑造了雕像立在發現第一隻祿豐龍的位置。許氏祿豐龍的種名之所以取為「huenei」,是為了紀念他的老師德國古生物學家弗雷德里克‧馮‧休尼(Friedrich von Huene)。

原先,楊鍾健先生認為許氏祿豐龍的形貌特徵和德國在晚三疊紀地層中發現的板龍相當近似,因此把前者歸類於板龍科(Plateosauridae)。後來發現在南非侏邏紀的地層出土的原蜥腳類恐龍–大椎龍(Massospondylus)–與祿豐龍的種屬更為相似,因此近年來部分古生物學家就把祿豐龍歸類於大椎龍科(Massospondylidae)了。

許氏祿豐龍是第一隻在中國組架並定名種屬的恐龍。目前出土的許氏祿豐龍體長4.5公尺左右,巨型祿豐龍骨架則長至6公尺左右,從形體分析顯示兩者除了體型大小不同外,並無明顯的差異。

中國雲南地區最近另出土了一些較大型的早侏邏紀恐龍化石,有原蜥腳類黃氏雲南龍、蜥腳類武定昆明龍和尚未分屬的金沙江龍。

觀察祿豐龍的化石形狀,其頭骨較小,眼眶大且呈圓形,鼻孔則呈三角形,並擁有銳利的牙齒,同時拇指的指爪顯得特別大。從中國雲南楚雄州彝族自治區博物館的祿豐恐龍的化石看來,巨型祿豐龍與小型的祿豐龍除了體型的差異外,在身體的結構上小型祿豐龍似乎比較接近肉食性恐龍!但依據楊鍾健先生的研究顯示兩種祿豐龍都屬雜食性,主要的食物是湖岸和沼澤周圍森林的植物、水中的螺螄或蚌殼等小型動物。

楊鍾健先生進一步解釋:祿豐龍雖然有類似鬣蜥科的銳利牙齒及巨大的指爪,但可能都是用來防禦及進食所演化出來的特徵。與其他原蜥腳類相比,巨型祿豐龍的頸部相當長,脊椎發達粗壯且前肢不是很短小,不像一般單純以兩肢行走的恐龍。

一個美麗的偶然

2010年,祿豐縣恐龍博物館的工作人員在大漥恐龍山進行例行性的化石挖掘時,偶然發現一些零散的恐龍胚胎化石。由於胚胎化石是相當珍貴的古生物遺跡,為進一步了解祿豐龍的生活史,該博物館便積極地尋求合作,與臺灣國家同步輻射研究中心、國立中央大學、國立成功大學、國立中興大學、加拿大多倫多大學、中國雲南省楚雄彝族自治區博物館及祿豐博物館共組了一個國際研究團隊,於2011年開始在祿豐縣進行祿豐龍的化石發掘及化石內部結構的研究。

國際團隊很幸運地在大窪恐龍山發掘出祿豐龍的成龍化石與極為罕見的胚胎化石群,其中胚胎化石群更提供了不同胚胎時期成長過程中的重要證據。

研究團隊探討了祿豐龍在胚胎時期的生長速度及其骨骼發展的過程,並利用同步輻射紅外光譜顯微技術對不同時期的化石進行顯微紅外吸收光譜的分析。竟然在一億九千五百萬年前的祿豐龍化石中,得到相當珍貴的有機殘留物質在骨質中的證據,由於這技術不需去除化石中的礦物質,而是直接分析胚胎化石的成分,因此有別於其他研究團隊使用的破壞式方法。

所謂破壞式研究方法就是把化石中的所有碳酸鹽類、矽酸鹽及磷酸鹽的無機礦物質去除後萃取剩餘的殘留物,再利用一系列生物化學的方法及精密的質譜儀進行有機物的分析。由於萃取的步驟繁瑣且容易受到人為及環境的汙染,所得到的結果易受質疑及挑戰,因此利用同步輻射進行非破壞式的研究方法在古生物研究上應有相當大的優勢。

臺灣國家同步輻射研究中心提供了高輝度的紅外光源以進行祿豐龍胚胎化石的紅外光譜顯微分析,其中把胚胎化石製作成極薄的切片(厚度約10~15微米),並利用紅外光譜影像呈現化石中的有機殘留物質,其影像顯示億萬年前保留在石化骨質中的有機物並沒有被破壞。

另一個課題是研究祿豐龍在胚胎時期的肋骨與腿骨的發展,結果顯示恐龍胚胎股骨直徑及對稱性會隨著時間而變化,愈接近孵化時間股骨直徑不只變大,形狀也越來越不對稱。研究團隊認為這是因恐龍胚胎胎動時股骨受到肌肉的牽引所造成的骨骼不對稱,這一現象類似於人類的嬰兒在母體中因胎動而造成骨頭的不對稱的發展歷程。

上述研究成果已發表在《自然》(Nature)期刊,並獲選為當期的封面故事。在研究結束後,這些珍貴的祿豐龍胚胎化石於2013年11月28日正式歸還,再度珍藏在中國大陸雲南楚雄州彝族自治區博物館中。

化石切片製作技術

透視化石內部結構是研究恐龍生活史的第一步,起初研究人員利用反射式光學顯微技術觀察化石切片,試片厚度約為30 微米,卻只觀察到灰白色碳酸鈣化的化石表面影像,無法呈現其內部結構。因此,改而利用反射式暗場顯微術,終於觀察到化石內部的結構及細微結構的色彩分布影像,顯然這模式有助於研究者找到正確的結構位置。

但進行同步輻射紅外光譜顯微分析時,化石須製成超薄試片,約10 ~ 15微米左右,且需保持結構的完整性。這樣的樣品才能在穿透式顯微鏡下清楚地觀察到化石中那些像樹木年輪一樣的輪狀結構,也可取得紅外光譜顯微術的分析,因此樣品的製備是一個嚴峻的挑戰,也是重要的關鍵。

若要成功取得化石切片清晰的暗場顯微影像,基本上需要兩個條件:首先,切片製作時必須使用較精細的研磨材料及拋光材料,以提高切片表面的平整度,才能觀察到化石上細緻的結構影像;另外,須增加顯微鏡光源的亮度並聚焦,以補足暗場顯微觀察光源強度不足的缺點。

在反射式暗場顯微技術的觀察下,恐龍化石呈現出多種礦物成分的色彩,骨骼中縱向血管通道的哈氏管、橫向血管通道的弗氏管和骨細胞的骨陷窩在顯微鏡下清楚呈現其原有的構造。使用更高倍率觀察下,居然可發現化石內仍保留與現生動物一樣的骨質細胞,圍繞在哈氏管旁骨細胞的骨陷窩及骨陷窩向外伸張栩栩如生的偽足觸絲。

同步輻射紅外光譜顯微影像

國家同步輻射研究中心的同步輻射紅外顯微術實驗站結合了臺灣的科學神燈同步輻射、傅立葉轉換紅外光譜儀及共軛焦紅外顯微鏡,足以做為探索恐龍世界的利器。同步輻射光的穿透度、輝度及超高的空間解析度勢將掀開恐龍最神祕的面紗。

這項研究擷取恐龍牙齒樣品的光譜波長範圍是2.5 ~ 25微米,用來掃描化石的同步輻射紅外光點大小是邊長20微米的正方形(大約是一般人類頭髮直徑的五分之一左右),以取得的紅外光譜重建其紅外光譜影像。以下略述肉食性恐龍牙齒化石的紅外光譜影像分析。

恐龍牙齒化石的顯微結構

霸王龍和鯊齒龍可能是地球上最凶猛的肉食性恐龍,想像一下這些恐龍張嘴撲向獵物時,如何能輕易咬住並撕咬這些獵物?這些巨大的牙齒不但長而且有特殊的形狀,在顯微鏡底下觀察牙齒化石製成的切片,居然發現長有像牛排刀般一整排鋸齒狀的小齒,這些鋸齒狀的小齒可以幫助肉食性恐龍輕易地咬住獵物使其無法掙脫。

另外,牙齒化石的表層幾乎是透明的琺瑯質,這與現生動物的牙齒琺瑯質呈現不透明的事實並不相同。以紅外光譜顯微技術分析這些化石中的琺瑯質,發現其中竟然保有高濃度的二氧化碳,但這些二氧化碳並非來自空氣,而是吸附在牙齒化石上。學者認為這些吸附在牙齒上的二氧化碳終會轉變成碳酸鹽成為牙齒的一部分,而且空氣中二氧化碳的濃度也扮演重要的角色,可能是加速恐龍牙齒碳酸鹽礦化的催化劑,顯示恐龍死亡當時大氣中可能有高濃度的二氧化碳。

研究更進一步發現在恐龍牙齒化石中有兩種不同取代位置的碳酸鹽,一種是外來的碳酸鹽取代羥基磷灰石中羥基(-OH)的A型碳酸鹽,另一種是原生牙齒生長過程中取代羥基磷灰石中磷酸根(PO43–)的B型碳酸鹽。學者推測恐龍牙齒中A型碳酸鹽化的原因,一是二氧化碳與牙齒琺瑯質的羥基所引起的物理性及化學性吸附現象,另一種是大氣環境中高濃度的二氧化碳溶入地下水變成的碳酸鹽所滲入而造成的現象。

對於這樣的現象,他們提出一個「碳酸化隔離(carbonate matrix isolation)」理論的埋藏學,也就是碳酸鹽從牙齒最外層滲入包覆住牙齒,隔絕了外界細菌或其他物質的侵蝕,而能保護存在於牙齒內部的物質,相同的現象也發生在恐龍的骨頭化石中。因此,合理地推測有機物或蛋白質組織有可能在億萬年之後仍然被保留。

另根據古生物學家的研究,恐龍生存期的中生代大氣中的二氧化碳含量的確比較高,這說明了恐龍應能適應高濃度二氧化碳的大氣環境。經由以上的證據,研究人員更堅定地相信恐龍的滅跡與大氣的變遷有密切的關係,當然這個千古之謎尚待後人繼續抽絲剝繭去揭開。

現在的古生物學研究利用傳統可見光顯微鏡的分析只能呈現古生物化石原來的外表形貌,但臺灣的研究團隊利用國家同步輻射研究中心提供的高輝度X光到中紅外光區的光源導入到不同功能的顯微術實驗站,以及高超的化石試片製作技術,更能看到恐龍化石的真面目,這是解開千萬年甚至億萬年前恐龍祕密的新契機。

工欲善其事必先利其器,國內擁有世界頂尖的高亮度光源,若能結合國內外各領域專業科學家,將有助於古生物界開啟新的研究方向,促使臺灣的學術研究更臻國際頂尖水準,希望能創造21世紀古生物的科研奇蹟。
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