琥珀–涵蘊萬古於剎那

 
2017/05/03 黃武良 | 臺灣大學地質科學系(已退休)
劉淑蓉 | 臺灣大學師資培育中心(已退休)     497
 

琥珀(Amber)是古今中外受人鍾愛的寶飾,尤其內含蟲蟲的琥珀更是科學家穿越時空的隧道,因為結合最新的科技,遠古地球的生物祕境就會一一呈現。

 

2015年隨著納粹黃金列車可能重現,讓失蹤70年被譽為世界奇蹟的「琥珀宮」再現露出了一線曙光,全世界都拭目以待。琥珀的魅力自古不斷,「琥珀之路」更曾是貫通東西方貿易的橋梁,它是人們最喜愛的寶飾之一,也是天然的香料和藥材,尤其內含有栩栩如生的「蟲蟲琥珀」更是科學家眼中的至寶。

 

琥珀可說是「透視地球過往的窗口」。生物學家從琥珀中化石的DNA研究昆蟲和植物的生態和演化,以及地表的滄海桑田。如今科學家對琥珀內含物的興趣已擴及他類生物(以下通稱蟲蟲)、氣泡和礦物,藉以了解地球古地理及氣候的變遷。

 

研究的方法也從顯微鏡到最先進的微電腦斷層攝影及基因科技,使得不透明的琥珀內的生物也無所遁形。將來科學家可能會借用「琥珀宮」中的樣品做研究,或許哪天你收藏的琥珀標本對科學的發現做出了可觀的貢獻,那也不足為奇。

 

時尚的寵兒

 

琥珀受古今中外人士喜愛,它有如水晶般的剔透、瑪瑙般的紋樣、蠟釉般的光澤、鮮花般的多彩、玲瓏輕巧,讓人喜不釋手。琥珀看似冰心,但觸摸時溫潤如玉,在人的體溫誘發下會發散淡淡的松香,與龍涎香同是珍貴的香料,西藏人因此稱為「香水晶」。

 

琥珀品種多樣,依顏色、光澤、花樣、內含物等可分類為金珀、血珀、紅茶珀、綠茶珀、藍珀、翁珀(黑色)、香珀、蟲珀、花珀、翳珀、石珀、明珀、蜜蠟等。其中黑色半透明的翳珀在光線下會微透紅色亮光,自古以來就是極品,稀有珍貴;明珀顏色雅淡清澈透明似黃玉,花珀內含木屑、花、草如同手中的祕密小花園,而石珀透明或半透明,是一種石化程度高,類似玉的琥珀。

 

琥珀外型、色澤、圖樣千變萬化,可提供飾品設計和鑲工師多樣的創意空間,琥珀飾品在當代時尚界足可媲美傳統的寶石飾品。以琥珀做為飾品或藥材,前人之述備矣,本文僅就琥珀的科學意涵加以著墨。

 

本是寒松液 千年猶可覿

 

晉朝郭璞《玄中記》曾有云「楓脂淪入地中,千秋為琥珀」,言簡意賅地點出琥珀的形成。唐朝詩人韋應物的五言絕句〈詠琥珀〉:「曾為老茯神,本是寒松液。蚊蚋落其中,千年猶可覿。」飛落的蚊蟲被困在蒼松滲滴的脂液中,時空瞬間凍結在琥珀棺中,千(萬)年後仍栩栩如生,一針見血地述說了琥珀可做為透視古昆蟲的窗口,也應驗了英國詩人威廉.布萊克(William Blake, 1757−1827)的名句:「涵蘊萬古於剎那」(And Eternity in an hour)。

 

樹木分泌樹脂本是一種保護的本能,可用以治療受創的傷口,並可防蟲和黴菌。在地表的作用下,多數樹脂終將分解,只有少數特定科屬的樹脂才可以禁得起腐爛的侵蝕,而且還需要快速掩埋以隔離氧氣,才得以伴隨森林長時間受地溫及生化作用,轉化成煤層和局部的琥珀原生礦。

 

原生礦的琥珀被侵蝕沖刷到海中再漂流到海邊,海邊成為大眾尋寶的幸運之地。就以著名的琥珀產地波羅地海來說,俄羅斯加里寧格勒鄰近就稱為「琥珀海岸」,自古以來就是琥珀的主要來源。有「琥珀之都」之稱的加里寧格勒擁有世界第二大的琥珀博物館,以收藏琥珀蟲蟲三千件以上聞名。波羅地海的立陶宛共和國在19世紀末也曾是世界琥珀中心,目前波羅地海的琥珀多採自煤礦中的原生礦。

 

樹脂在厭氧菌的作用下會先聚合成柯巴(copal),它的外觀與琥珀相似但硬度較低,哥倫比亞、馬達加斯加和肯亞的琥珀就多是柯巴。柯巴的分子不夠大且可溶於有機溶劑,是未成熟的琥珀,以這方法鑑定,可與琥珀區別。但柯巴在地層中假以時日或增溫,成熟度會增加,仍可聚合成大分子的琥珀。

 

琥珀不同於一般的礦物寶石,它是有機物,摩爾硬度低,約在2與2.5之間,因此又稱為有機寶石或生物寶石。其分子大而複雜,無固定成分,不是礦物。因為是固體,除非先使分子熱裂解成液體或氣體,否則無法使用一般的層析儀或質譜儀分析,需要使用光譜儀、電子顯微鏡等。

 

琥珀的分子主要是碳、氫、氧的聚合物,類似塑膠。特別是含有高達8%的琥珀酸,這是柯巴或人造琥珀所無的成分,它的存在讓琥珀氣韻生動,有「琥珀的靈魂」之稱。琥珀酸鏈結於琥珀大分子結構中,但有極少數是以自由的琥珀酸小結晶存在於琥珀中。

 

琥珀的顏色及花樣多來自樹脂所含的外來物,如泥沙、火山灰、花粉、灰塵等。但樹脂的種類也是致色的因子,例如多明尼加一種罕見琥珀品種藍珀,美名是「藍精靈」,其青藍色可能就是源自某一特別植物的樹脂。溫度對琥珀的影響很大,當加熱至攝氏150~180度時會開始軟化,到攝氏250~375度就完全熔化,攝氏375度以上燃燒時則出現黃色火燄及松香味。

 

琥珀有一特性自古就為人所傳說。西元前600年左右,希臘哲學家泰利斯(Thales, 640~546 B.C.)就已發現摩擦過的琥珀會吸引絨毛或木屑,這一現象曾讓柏拉圖及亞里土多德百惑不解。無獨有偶,在中國東漢時期的《論衡》一書中,也有琥珀吸芥的類似記載。之後,晉朝王嘉在他的《拾遺紀》中也有關於琥珀怪異的記載:「昔漢武寶鼎元年,西方貢珍怪,青琥珀燕,置之靜室,自於室內鳴翔。」這現象應該是帶靜電懸吊的琥珀會彼此相吸放電震動所致。

 

琥珀的靜電效應與閃電算是人類最早感受到電存在的現象。琥珀的希臘文是「Elektron」,是近代英文字electricity(電)的來源。

 

琥珀的時空分布

 

琥珀源自松柏杉類,因此其分布與這類植物的演化息息相關。2009年加拿大阿伯特大學研究團隊檢視琥珀內含的種子和針葉,利用紅外線光譜進行它與今日松脂成分的比對,推測出波羅地海琥珀源自目前已絕種的金松科古植物的樹脂,現代尚存的類似者有日本傘松,或稱為金松。

 

另一方面,根據美國西北大學2002年的研究,美洲及非洲的琥珀源自雲實科的孿葉豆屬下的一種古植物,是現生孿葉豆屬的祖先。美洲琥珀產量以多明尼加為最,居世界第二位,僅次於波羅地海,該國琥珀透明的居多,內含蟲蟲也多。其他如西西里島、羅馬尼亞、緬甸、印度也是重要產地。

 

琥珀時空分布廣泛,這與地球裸子植物(如松、杉、柏)的出現吻合。目前最早但量少的琥珀是在中生代早期三疊紀(248~206百萬年前)地層中發現的,之後的侏羅紀(206~144百萬年前)地層中也偶有琥珀現蹤,多數的琥珀則是在白堊紀(144~65百萬年前)開始形成。因此若要從琥珀中尋找恐龍相關的線索,則從含琥珀較多的白堊紀恐龍時代地層中著手的機會可能會大些。琥珀全盛時期是在約44百萬年前的始新世紀,當時在波羅地海鄰近繁殖有大量的松柏杉林,便成就了世界上最大的琥珀產地。

 

科學家的祕密森林

 

琥珀中的生物當年不幸掉入樹脂後,很快就被樹脂淹沒,一陣掙扎之後凝結,歸於寂靜。快速的隔離讓生物纖細的組織和外貌得以完整保留,這些小生命應該沒想到有一天會出現在人類的舞台上吧。

 

西元2013年,臺灣博物館曾以「時空膠囊」為主題舉辦了琥珀特展。目前發現含在琥珀中的生物僅限體型較小的或是大個子身體中的一小部分,動物方面以節肢動物門的昆蟲最多,蛛形綱的蠍子、蜘蛛、蜈蚣居次,偶然也會發現如蜥蜴、蝸牛、哺乳動物等的痕跡。在植物方面,以松杉柏本身的葉、花、種子、花粉等最為常見,有時會出現其他花草木、苔類等。又,琥珀源自陸上或沼澤森林,因此內含海上生物化石的機會應該很少,惟據報導,曾發現過內含海藻的稀有琥珀。

 

琥珀中的蟲蟲常客一般以蚊蚋為多,尤以嗜好腐爛樹葉的真菌蚋最普遍。這類蚊蚋體型小易繁殖,與蒼蠅、螞蟻同是樹脂中俘虜的常客,科學家對它們的家譜、生態及演化也因琥珀的研究而相當完整。同樣在松林中神出鬼沒的小強蟑螂,因體型大容易掙扎脫困,因此被捕獲的多數是幼蟲。其他常見的蟲蟲尚包括小型的蟻、小龜甲蟲、小蜜蜂、小蜘蛛,以及更小的肉眼所不及的生物等。除蟲蟲本身外,寄生其上的微生物也時有發現。

 

琥珀中偶爾會發現昆蟲以外的稀客,如爬蟲類的蜥蜴就常見於報導中,而且以多明尼加的琥珀最多,在波羅地海的琥珀中則較少發現。但目前似乎尚無琥珀中有哺乳動物的報導,惟內含某些個體的部分似曾發現過,例如波羅地海的琥珀內含有哺乳動物的毛髮,波蘭的琥珀內含有疑似山豬的牙齒。琥珀有時也會留下生物的痕跡(生痕化石),例如在波羅地海的琥珀中就曾發現有類似貓的足跡。琥珀是如何建立這般的收藏品引起人們許多想像。

 

琥珀中含的生物林林總總,有時令人意想不到。舉幾個例子:多明尼加的琥珀中曾發現青蛙的骨骸,看來這青蛙似乎有六支腿,後經認定,應該是樹上鳥類吃剩的青蛙腳骨掉落在樹脂上所致。另外,2011年英國著名生物演化期刊(BJLS)曾報導,在一個有4千萬年歷史的琥珀中發現,兩隻蟎蟲正在親熱的瞬間被樹脂所凝結。而研究發現蟎蟲交配的過程是雌性主動,這與現代蟎蟲由雄性控制的習性恰好相反。類似的蟲蟲溫存鏡頭以前也偶有報導。

 

更令人矚目的是:2004年法國科學家在恐龍時代的白堊紀的琥珀中發現了羽毛化石;最近,美國自然科學博物館科學家也報導了在緬甸白堊紀琥珀中有類似的發現。從這些羽毛的特徵目前尚無法推論是鳥類或恐龍的羽毛,或介於恐龍與鳥間的龍鳥所屬。

 

打開生物演化之鑰

 

如果說沉積岩是記錄地球歷史的一本書,其間的化石就如同一篇篇專家才懂的古文,蟲蟲琥珀則是精細的插圖。古生物學家從沉積岩中的個別化石和生痕拼湊重建古生物的外型及活動,再從化石群中了解這類動物的習性及生態。化石中的生物骨骼多數已轉化成岩石或礦物,其他軟細胞肉體則多數腐爛難以石化。琥珀中的蟲蟲則較幸運,不但在琥珀的保護下不易腐爛,反而經由厭氧菌的生化作用聚合成較大分子的固體,因此得以巨細靡遺地保存下來,雖然已不同於蟲蟲生前的肉體狀態。

 

琥珀中的蟲蟲也是化石的一種,可以彌補一般化石對生物外貌保存較為不足的缺憾。透明琥珀中的生物可用肉眼、放大鏡或立體顯微鏡觀察。有些未成熟的琥珀(柯巴)甚至可用有機溶劑去除,再以電子顯微鏡掃描分析,但成熟的琥珀無法以這方法處理。最近科學家已發展出利用高亮度的X光(來自同步加速器的輻射),以3D微電腦斷層攝影的技術處理不透明的琥珀,成功地重建了高解析度各方位的蟲體影像(請觀賞3D動畫:www.youtube.com/watch?v=Ht0L5I3Jm60)。

 

地質學家可以從琥珀所賦存地層的年代估算原始樹脂的年齡;反之,也可以從琥珀內生物的種類推測含有這琥珀的地層年代。古生物學家從零星稀落、分布各地各年代的琥珀蟲蟲,重建各時代蟲蟲的體型及生態的變化,描繪出它們演化的輪廓。其中令人意外的是,研究發現某些蟲蟲雖歷經千萬年,其體型或族群並無多大改變。

 

史密森尼博物館與澳洲新英格蘭大學的研究團隊從琥珀的研究發現,加勒比海一千多萬年前的安樂蜥屬(Anolis)變色龍蜥蜴的生態族群和習性與近代子孫幾無多大變化,雖然當地的生態環境已經過很大變遷。這意味著當時這種蜥蜴族群應已演化至相當完備的境界,足以適應環境的變遷。

 

從琥珀看地殼的變動

 

科學家也從同類昆蟲在各地區演化的異同,推測昆蟲的遷徙或古地理環境的變遷,小至滄海桑田,大至陸橋的消長或板塊移動等。

 

例如,2008年美國自然歷史博物館的團隊研究5百萬年前印度的琥珀礦床時,發現其內蟲蟲的種屬眾多,與同年代歐洲北部、南美洲、新幾內亞及澳洲的十分類似。問題是,根據印度板塊的移動史,當時印度已經脫離非洲板塊,四周被海洋環繞已有1億年之久,為什麼這段時間印度節肢動物的演化並不是獨立的,反而與其他大洲的蟲蟲似乎有著交換移棲的連繫?

 

這是否意味當時印度陸塊與它洲仍有某種程度的相連?是否有島弧或所謂陸橋的存在?抑或是印度板塊碰撞歐亞板塊的時間比目前所認知的早?從小蟲化石生態的觀察,能夠推及地殼的變動,如同「從一粒沙看地球」是地質學令人著迷之處。

 

琥珀中的DNA密碼

 

1990年美國作家麥可.克萊頓(Michael Crichton, 1942-2008)的科幻小說《侏羅紀公園》一書,以及隨後1993年拍攝的電影中,構想了基因科學家從琥珀內含的蚊子和扁虱中,萃取被蟲吸入的恐龍血液的DNA以複製出恐龍。

 

正當大家沉迷於幻想其可能性時,加州大學柏克萊分校的George Poiner, Jr.研究團隊及時於1993年的《自然》期刊,以及之後出版的《侏羅紀再現》一書中,宣稱已成功地從黎巴嫩1億2千5百萬年前的琥珀中,萃取到其內含象鼻蟲的DNA,比對結果類似於現今象鼻蟲同目的鞘翅甲蟲。這個發現讓複製恐龍已不僅限於幻想,然而這研究報告曾多次受到同儕質疑。

 

這個幻想所受最嚴峻的挑戰是:2013年英國曼徹斯特大學科學家從許多新生代未成熟的琥珀(柯巴)中所含的昆蟲中尋找DNA信息,結果偵測不出任何古生物的DNA信息。

 

他們一反過去使用的聚合酶連鎖反應(PCR)測定方法,而是利用先進的核酸定序技術,用以降低外來汙染體DNA在分析時造成的擴增效應。因此團隊成員認為,從近代的琥珀中都無法獲得古生物的DNA信息,更何況想從古老恐龍時代的琥珀中去萃取,更是不可能。這個結果使人們冀望從琥珀內的昆蟲中尋找恐龍DNA的幻想破滅。

 

所幸,科學並未排除從恐龍化石(骨頭或蛋)的軟體組織中直接尋找DNA的可能。早在2007年,美國科學家Mary Schweitzer的團隊在晚白堊紀的暴龍腿骨中發現了軟體組織,並從中萃取到膠原蛋白質。之後也有諸多類似發現,例如2015年倫敦大學團隊從加拿大7千5百萬年前的恐龍腳掌的骨骼中,發現有保存恐龍血液的化石,其中紅血球的細胞核及膠原蛋白質纖維依稀可辨,類似現今澳洲不會飛大鳥的血液。這些發現都讓複製恐龍的科幻再現曙光。

 

琥珀中隱藏的小殺手

 

2008年,昆蟲學家George Poiner, Jr.團隊發表從黎巴嫩、緬甸和加拿大的琥珀中的蚊子、壁蝨等吸血的昆蟲體內,發現可以導致脊椎動物死亡的多種病原體,例如瘧疾等。這團隊從中重建了盛行於恐龍時代的微生物生態,從而推測這些病原體可能是導致恐龍族群衰落的原因。

 

更令人驚奇的是,這團隊最近(2015年)在醫學昆蟲學(JME)期刊發表,從2千萬年前的多明尼加琥珀中的跳蚤化石中,發現了可能屬於淋巴腺鼠疫的致命細菌。目前雖然無法檢驗這細菌的DNA以獲得完全的確認,但這細菌獨特的外型卻類似14世紀中葉導致歐洲一半人口死亡的黑死病的菌種Yersinia pestis。如果這報導屬實,意味著黑死病瘟疫在有人類以前的古早就已存在,而且似乎跨洲傳染,在動物的演化過程中可能扮演著導致絕種的角色。

 

恐龍時代的空氣

 

許久以來科學家一直想了解古大氣的成分,以及其對全球古氣候變遷的影響,且古大氣中的氧氣含量直接牽動植物的生態平衡及演化。礦物學家從隱生代地層(25億年前到5億7千萬年前)內帶狀鐵礦的研究,推測當時大氣中的氧氣只有今日的萬分之一。爾後,原始細菌的光合作用所產生的氧氣,超過地表所能消耗的量後,始逸出到大氣中,開啟了陸上有氧生物的出現與繁殖。自此,地球大氣的氧含量是否漸增到今日的21%?抑或是曾經有過超越今日大氣中氧氣的濃度?

 

目前,科學家己經成功從極區的冰層所包含的氣泡,測出20萬年以來古大氣中氧氣的濃度,發現與今日大氣並無多大差異。但再古老時期大氣的成分又是如何?解答似乎仍遙遙無期。

 

幸好,近年科學家對琥珀中氣泡的研究終於露出一線的曙光。美國地質調查所與耶魯大學合作,分析了6千7百萬年前的300個磨碎後的琥珀樣本所釋出的氣體,他們宣稱「白堊紀公園」的古大氣中氧氣的含量最高達35%,比今日的高出約5成。

 

超高氧氣含量是否是導致那時代大體型動物(如恐龍)盛行的原因?也有人懷疑大氣中這麼高的氧氣是否會造成全球性的森林大火?這項研究更進一步發現,氧氣的含量在恐龍絕滅的那段時期(白堊紀末及第三紀初)突然下降至近似今日的水準,這是巧合或是彼此間有所關聯?

 

不過,這個發現在2013年受到質疑:一個以奧地利為主的國際團隊進行琥珀有機體中氧的同位素研究,認為白堊紀古大氣含氧量只約為10~15%,低於今日的含量,更遠低於上述直接由琥珀氣泡所量測的。問題出在哪裡?尚有待科學家對琥珀再進一步的了解。