透过显微镜观察化石骨骼的薄片，我难以置信地盯着同事刚刚指给我看的小红球。这些微小的结构位于血管通道中，血管通道蜿蜒穿过淡黄色的坚硬组织。每个小球都有一个类似细胞核的深色中心。事实上，这些小球看起来就像爬行动物、鸟类和除哺乳动物以外的所有其他现存脊椎动物的血细胞，哺乳动物的循环血细胞没有细胞核。它们不可能是细胞，我对自己说。这块骨骼薄片来自一只恐龙，蒙大拿州波兹曼落基山博物馆的一个团队最近发现了这只恐龙——一只大约在 6700 万年前死去的霸王龙——每个人都知道有机物质太脆弱了，无法在如此漫长的时间里持续存在。
300 多年来，古生物学家一直秉持这样一种假设，即化石骨骼中包含的信息严格来说在于骨骼本身的大小和形状。传统的观点认为，当动物在适合化石化的条件下死亡时，来自周围环境的惰性矿物质最终会取代所有的有机分子——例如构成细胞、组织、色素和蛋白质的分子——留下完全由矿物质组成的骨骼。1992 年的那个下午，当我坐在博物馆里，盯着恐龙骨骼中深红色的结构时，我实际上看到一个迹象，表明古生物学的这个基石信条可能并非总是正确的——尽管当时，我大多感到困惑。考虑到恐龙是非哺乳动物的脊椎动物，它们应该有有核血细胞，而这些红色的东西肯定看起来像是血细胞，但它们也可能来自我陌生的某种地质过程。
那时，我还是蒙大拿州立大学一名相对较新的研究生，研究恐龙骨骼的微观结构，几乎算不上经验丰富的专家。在我就红色小球的身份征求了教职员工和其他研究生的意见后，这个谜题的消息传到了杰克·霍纳那里，他是博物馆的古生物学馆长，也是世界上最权威的恐龙专家之一。他亲自看了一下。他皱着眉头，对着显微镜看了似乎有几个小时，一言不发。然后，他抬起头，皱着眉头问我：“你认为它们是什么？”我回答说我不知道，但它们的大小、形状和颜色都像是血细胞，而且它们的位置也正确。他哼了一声。“那就向我证明它们不是。”这是一个不可抗拒的挑战，即使是现在，它也帮助我塑造了提出研究问题的方式。
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从那时起，我的同事和我从多个样本中提取了各种类型的有机遗骸——包括血管、骨细胞和构成爪子的类似指甲的物质的碎片——这表明，尽管化石中软组织的保存可能并不常见，但也不是一次性的偶然事件。这些发现不仅与教科书中关于化石化过程的描述背道而驰，而且还为我们提供了关于逝去生物的生物学的新见解。例如，另一块霸王龙标本的骨骼显示，这只动物是一只雌性，死时正处于“产卵期”（准备产卵）——这是我们仅从骨骼的形状和大小无法获得的信息。在蒙古出土的一只小型食肉恐龙附近的纤维残余物中检测到的一种蛋白质，帮助确定了这种恐龙长有羽毛，并且在分子水平上，这些羽毛与鸟类的羽毛相似。
我们的研究结果遭到了很多怀疑——毕竟，它们非常令人惊讶。但怀疑是科学的恰当组成部分，我仍然觉得这项工作非常有趣且充满希望。对恐龙的古代有机分子的研究有可能以我们二十年前无法想象的方式，促进对这些宏伟生物的进化和灭绝的理解。
最初的迹象
正如老话所说，非凡的主张需要非凡的证据。谨慎的科学家会尽一切努力推翻珍视的假设，然后才接受他们的想法是正确的。因此，在过去的 20 年里，我一直在尝试我能想到的每一种实验，以推翻我的合作者和我发现的物质是来自恐龙和其他早已消失的动物的软组织成分的假设。
对于我在霸王龙骨骼中看到的红色微观结构，我首先想到，如果它们与血细胞或血细胞成分（例如血红蛋白或血红素分子，它们是在从垂死的血细胞释放出来后聚集在一起的）有关，那么只有当骨骼本身保存得异常完好时，它们才会以某种形式（尽管可能是非常改变的形式）持续存在。这种组织会在保存不佳的骨骼中消失。在宏观层面上，这显然是真的。这具骨骼是一个来自蒙大拿州东部的近乎完整的标本——正式名称为 MOR 555，昵称“大麦克”——包括许多罕见的保存完好的骨骼。对肢骨薄片的显微镜检查显示出类似的原始保存状态。致密骨骼中的大多数血管通道都是空的，没有像恐龙通常那样充满矿物质沉积物。而且，这些红宝石般的微观结构只出现在血管通道中，从未出现在周围的骨骼或骨骼附近的沉积物中，正如血细胞应该存在的那样。
接下来，我将注意力转向了类似血细胞物质的化学成分。分析表明，它们富含铁，就像红细胞一样，而且铁是它们特有的。神秘红色物质（我们昵称它们为 LLRT，即“小圆形红色物质”）的元素组成不仅与血管通道周围的骨骼的元素组成不同，而且也与恐龙埋藏的沉积物的元素组成完全不同。但是，为了进一步测试红色结构和血细胞之间的联系，我想检查我的样本中是否含有血红素，这种含铁的小分子赋予了脊椎动物血液鲜红色，并使血红蛋白蛋白能够将氧气从肺部输送到身体的其他部位。当受到调谐激光的刺激时，血红素会以明显的模式振动或共振，并且由于它包含金属中心，因此它以非常独特的方式吸收光。当我们对骨骼样本进行光谱学测试（测量给定材料发射、吸收或散射的光）时，我们的结果表明，恐龙骨骼的某个地方存在与血红素一致的化合物。
我们进行的其中一项最引人注目的实验利用了免疫反应。当身体检测到外来、潜在有害物质的入侵时，它会产生称为抗体的防御性蛋白质，抗体可以特异性地识别或结合这些物质。我们将恐龙骨骼的提取物注射到小鼠体内，导致小鼠产生对抗提取物中有机化合物的抗体。当我们随后将这些抗体暴露于火鸡和老鼠的血红蛋白时，它们与血红蛋白结合——这表明在小鼠体内引起抗体产生的提取物中含有血红蛋白或非常类似血红蛋白的物质。抗体数据支持了“大麦克”的骨骼中含有类似于活体动物血红蛋白的物质的观点。
我们进行的许多化学和免疫学测试均未推翻我们的假设，即在显微镜下可见的神秘红色结构是来自
霸王龙的红细胞。然而，我们无法证明类似血红蛋白的物质是红色结构特有的——可用的技术不够灵敏，无法进行这种区分。因此，我们无法明确地声称它们是血细胞。当我们在 1997 年发表我们的研究结果时，我们保守地得出了结论，声明血红蛋白蛋白可能被保存下来，并且这种蛋白质最可能的来源是恐龙的细胞。这篇论文几乎没有引起注意。
证据不断积累
通过霸王龙的工作，我开始意识到化石有机物可以揭示关于已灭绝动物的多少信息。如果我们能够获得蛋白质，我们就可以设想破译其组成氨基酸的序列，就像遗传学家对构成 DNA 的“字母”进行测序一样。与 DNA 序列一样，蛋白质序列包含关于动物之间进化关系、物种如何随时间变化以及新遗传特征的获得如何可能为拥有这些特征的动物带来优势的信息。但首先，我必须证明古代蛋白质存在于除我们一直在研究的奇妙的霸王龙以外的其他化石中。在印第安纳大学的马克·马歇尔，以及当时在蒙大拿州立大学的塞思·平卡斯和约翰·瓦特的合作下，我将注意力转向了两块保存完好的化石，它们看起来很有希望从中提取有机物。
第一块是一只美丽的原始鸟类，名为拉何纳维斯，它是石溪大学和麦卡莱斯特学院的古生物学家在马达加斯加的沉积物中出土的，这些沉积物可以追溯到晚白垩世时期，大约在 8000 万到 7000 万年前。在挖掘过程中，他们注意到骨骼脚趾骨上有白色纤维状物质。采石场中的其他骨骼似乎都没有这种物质，沉积物中也没有，这表明它是动物的一部分，而不是后来沉积在骨骼上的。他们想知道这种物质是否可能类似于构成活鸟类脚趾骨的角蛋白蛋白的坚韧鞘，从而形成它们的爪子，并请求我的帮助。
角蛋白蛋白是保存的良好候选者，因为它们在脊椎动物中含量丰富，并且这种蛋白质家族的组成使它们非常耐降解——这对于暴露在恶劣条件下的皮肤等器官来说是件好事。它们主要有两种类型：α 型和 β 型。所有脊椎动物都有 α 型角蛋白，在人类中，α 型角蛋白构成头发和指甲，并有助于皮肤抵抗磨损和脱水。β 型角蛋白在哺乳动物中不存在，仅存在于活体生物中的鸟类和爬行动物中。
为了测试拉何纳维斯脚趾骨上的白色物质中是否含有角蛋白，我们采用了许多与我研究霸王龙时使用的相同技术。值得注意的是，抗体测试表明存在 α 型和 β 型角蛋白。我们还应用了其他诊断工具。例如，其他分析检测到氨基酸，这些氨基酸位于脚趾骨覆盖层，并且还检测到氮（氨基酸的组成部分），氮与其他化合物结合，就像蛋白质在活组织（包括角蛋白）中结合在一起一样。我们所有测试的结果都支持这样一种观点，即覆盖古代鸟类脚趾骨的神秘白色物质包括 α 型和 β 型角蛋白的片段，并且是其曾经致命的爪子的残余物。
我们探测的第二个标本是一块壮观的晚白垩世化石，纽约市美国自然历史博物馆的研究人员在蒙古发现了这块化石。尽管科学家们将这种动物命名为沙漠掘奔龙，或“沙漠鸟”，但它实际上是一只小型食肉恐龙。在清理化石时，博物馆的技术员艾米·戴维森注意到动物颈部区域有细小的白色纤维。她问我是否能分辨出它们是否是羽毛的残余物。鸟类是恐龙的后代，化石猎人发现了许多保存着羽毛印记的恐龙化石，因此从理论上讲，沙漠掘奔龙长有绒毛的说法是合理的。然而，我不认为像羽毛这样精细的结构能够经受住岁月的摧残。我怀疑这些白色纤维反而来自现代植物或真菌。但我同意仔细看看。
令我惊讶的是，初步测试排除了植物或真菌作为纤维来源的可能性。此外，随后对奇怪的白色细丝的微观结构分析表明存在角蛋白。活鸟的成熟羽毛几乎完全由 β 型角蛋白组成。如果沙漠掘奔龙上的小纤维与羽毛有关，那么它们应该只含有 β 型角蛋白，这与拉何纳维斯的爪鞘（同时含有 α 型和 β 型角蛋白）形成对比。事实上，这正是我们在进行抗体测试时发现的结果——我们在 1999 年发表了这些结果。
非凡的发现
到目前为止，我确信原始蛋白质的小残余物可以在保存极其完好的化石中存活下来，并且我们拥有识别它们的工具。但科学界的许多人仍然不相信。我们的发现挑战了科学家们对细胞和分子分解方式的所有认知。对有机分子的试管研究表明，蛋白质的持续时间不应超过一百万年左右；DNA 的寿命甚至更短。研究古代 DNA 的研究人员此前声称他们已经提取出了数百万年前的 DNA，但随后的工作未能证实这些结果。唯一被广泛接受的关于古代分子的说法是，它们存在的时间不超过数万年。事实上，我提交给科学期刊发表的一篇论文的一位匿名审稿人告诉我，这种类型的保存是不可能的，无论我们的数据如何，我都无法说服他或她。
为了回应这种抵制，一位同事建议我稍微退后一步，证明我们识别古代蛋白质的方法的有效性，方法是在年代久远但不如恐龙骨骼那么古老的骨骼中识别古代蛋白质，以提供原理证明。在哈佛大学的分析化学家约翰·阿萨拉的合作下，我从估计有 30 万至 60 万年历史的猛犸象化石中提取了蛋白质。使用称为质谱分析的技术对蛋白质进行测序，明确地将它们鉴定为胶原蛋白，胶原蛋白是骨骼、肌腱、皮肤和其他组织的关键成分。我们在 2002 年发表的关于猛犸象的研究结果并没有引起太多争议。事实上，科学界基本上忽略了它。但我们的原理证明即将派上大用场。
第二年，落基山博物馆的工作人员终于完成了另一具霸王龙骨骼的挖掘工作，这具骨骼有 6800 万年的历史，是迄今为止最古老的。与较年轻的霸王龙一样，这具骨骼——被称为 MOR 1125，并以发现者鲍勃·哈蒙的名字命名为“布雷克斯”——是从蒙大拿州东部的地狱溪组地层中发现的。该地点偏远而人迹罕至，车辆无法进入，因此一架直升机将装有挖掘出的骨骼的石膏外套从该地点运到营地。装有腿骨的外套太重，直升机无法吊起。因此，为了取出它们，团队打破了外套，分离出骨骼并重新包裹起来。但是骨骼非常脆弱，当最初的外套被打开时，许多骨骼碎片掉了出来。这些都被装箱给我了。由于我最初的霸王龙研究具有争议性，我渴望在第二只霸王龙身上重复这项工作。新的发现提供了一个绝佳的机会。
当我第一眼看到我从那个盒子里取出的第一块骨头时，一块股骨碎片，我就知道这具骨骼很特别。在这块碎片的内表面排列着一层薄而独特的骨骼，这种骨骼从未在恐龙身上发现过。这一层富含纤维，充满了血管通道，并且在颜色和纹理上与构成骨骼大部分的皮质骨完全不同。“哦，我的天哪，这是一只雌性——而且它怀孕了！”我对我助手詹妮弗·威特迈尔惊呼道。她看着我，好像我疯了一样。但由于研究过鸟类生理学，我几乎可以肯定，这种独特的特征是髓质骨，髓质骨是一种特殊组织，仅在有限的时间内（通常只有大约两周）出现，当鸟类处于产卵期时，髓质骨的存在是为了提供一种容易获得的钙来源，以强化蛋壳。
髓质骨与其他骨骼类型区分开来的特征之一是其胶原纤维的随机排列，这一特征表明其形成速度非常快。（当您骨折时，最先形成的骨骼中也会出现相同的组织——这就是为什么您会在愈合的骨骼中感觉到肿块的原因。）可以使用温和的酸去除现代鸟类和所有其他动物的骨骼中的矿物质，以显示胶原纤维的明显排列。威特迈尔和我决定尝试去除矿物质。如果这是髓质骨，并且如果存在胶原蛋白，那么去除矿物质应该留下随机排列的纤维。随着矿物质被去除，它们留下了一团柔软而纤维状的组织。我简直不敢相信我们所看到的。我让威特迈尔多次重复这个实验。每次我们将独特的骨骼层放入温和的酸溶液中时，都会留下纤维状的弹性物质——就像鸟类髓质骨以同样方式处理时一样。
此外，当我们随后溶解致密、更常见的皮质骨碎片时，我们获得了更多的软组织。空心的、透明的、柔软的、分支的管状物从溶解的基质中出现——它们看起来与血管完全一样。悬浮在血管内的是小的、圆形的红色结构或不定形的红色物质堆积物。额外的脱矿质实验揭示了独特的骨细胞，称为骨细胞，它们分泌胶原蛋白和其他构成骨骼有机部分的成分。整只恐龙似乎都保存了以前在恐龙骨骼中从未见过的物质。
当我们在 2005 年在科学杂志上发表我们的观察结果，报告了看起来像是胶原蛋白、血管和骨细胞的物质的存在时，这篇论文引起了很多关注，但科学界采取了观望态度。我们只是声称我们发现的物质类似于这些现代成分——而不是它们是完全相同的。经过数百万年，埋藏在沉积物中并暴露于随时间变化的地球化学条件下，保存在这些骨骼中的物质可能与恐龙活着时存在的物质几乎没有化学相似之处。只有当它们的成分可以被辨别出来时，这些物质的真正价值才能被确定。我们的工作才刚刚开始。
利用研究“大麦克”号、拉何纳维斯、沙漠掘奔龙和猛犸象时磨练的所有技术，我开始与阿萨拉合作，深入分析这只霸王龙的骨骼，阿萨拉改进了我们在猛犸象研究中使用的纯化和测序方法，并准备尝试对恐龙的年代更久远的蛋白质进行测序。这是一项更加艰巨的任务，因为恐龙中有机物的浓度比年轻得多的猛犸象低几个数量级，而且蛋白质也降解得非常严重。尽管如此，我们最终还是能够对它们进行测序。令人欣慰的是，当我们在哈佛大学的同事克里斯·奥尔根将霸王龙序列与其他众多生物的序列进行比较时，他发现它们与鸟类的序列最为接近，其次是鳄鱼——这两个群体是恐龙现存最近的亲戚。
争议及其后果
我们在 2007 年和 2008 年发表的详细描述测序工作的论文引发了轩然大波，其中大部分争议集中在我们对测序（质谱分析）数据的解释上。一些反对者指责我们没有产生足够的序列来证明我们的观点；其他人则认为，我们解释为原始软组织的结构实际上是生物膜——“粘液”，由侵入化石骨骼的微生物产生。还有其他批评。我对他们的反馈感到五味杂陈。一方面，科学家的职责就是持怀疑态度，并以严谨的态度审查非凡的主张。另一方面，科学以简约原则为基础运作——对所有数据最简单的解释被认为是正确的解释。而且我们已经用多条证据支持了我们的假设。
尽管如此，我知道，一项令人惊叹的发现对科学没有任何长期的意义。我们必须对其他恐龙发现物中的蛋白质进行测序。当一位志愿者在夏季探险中陪伴我们找到了一只 8000 万年前的植食性鸭嘴龙（名为加拿大短冠龙，或“布拉奇”）的骨骼时，甚至在我们将其骨骼从地下挖出来之前，我们就怀疑鸭嘴龙可能是一个古代蛋白质的良好来源。希望它可能含有有机物，我们尽一切努力迅速将其从周围的砂岩中取出，同时最大限度地减少其暴露于自然环境中的时间。空气污染物、湿度波动等会对脆弱的分子造成非常大的危害，骨骼暴露的时间越长，污染和降解的可能性就越大。
也许正是因为这种额外的谨慎——以及及时的分析——这第二只恐龙的化学性质和形态都比“布雷克斯”号的改变要小。正如我们所希望的那样，我们在动物骨骼中发现细胞嵌入在白色胶原纤维基质中。这些细胞表现出细长、分支状的延伸，这是骨细胞的特征，我们可以从细胞体追踪到它们与其他细胞连接的位置。其中一些细胞甚至包含看起来像是内部结构，包括可能的细胞核。
此外，鸭嘴龙骨骼的提取物与靶向胶原蛋白和其他细菌不产生的蛋白质的抗体发生反应，驳斥了我们的软组织结构仅仅是生物膜的说法。此外，我们从骨骼中获得的蛋白质序列与现代鸟类的蛋白质序列最为相似，正如“布雷克斯”号一样。我们将鸭嘴龙骨骼的样本送到几个不同的实验室进行独立测试，所有实验室都证实了我们的结果。我们在 2009 年在科学杂志上报告了这些发现后，我没有听到任何抱怨。
我们的工作并没有止步于此。关于古代软组织，我们仍然有很多不了解的地方。当我们所有的模型都说这些物质应该降解时，为什么它们会被保存下来？化石化到底是如何发生的？我们能从保存下来的分子碎片中学到多少关于动物的知识？测序工作暗示，对这种物质的分析最终可能有助于理清已灭绝物种之间的关系——一旦我们和其他人建立起更大的古代序列库，以及来自现存物种的序列，以进行比较。随着这些数据库的扩展，我们或许能够比较序列，以了解一个谱系的成员在分子水平上是如何变化的。通过将这些序列置于时间维度，我们或许能够更好地理解这种进化的速度。这些见解将帮助科学家们拼凑出恐龙和其他已灭绝生物是如何应对重大的环境变化、它们是如何从灾难性事件中恢复过来，以及最终是什么导致它们灭绝的。