300多年来，古生物学家一直秉持着这样的假设：化石骨骼中包含的信息仅在于骨骼本身的大小和形状。人们认为，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、色素和蛋白质的那些分子——留下本质上是“铸模”的曾经活着的骨骼，现在完全由矿物质组成。
我第一次意识到古生物学的这一基本原则可能并非总是适用，那是在我还是蒙大拿州立大学一位相对较新的研究生，研究霸王龙骨骼的微观结构时。当我透过显微镜观察时，我所看到的——小的、圆形的、红色的、显然有核的结构，仅限于贯穿骨骼的血管通道——据我所知，以前没有人注意到。它们看起来类似于非哺乳动物脊椎动物的有核红细胞。但是，根据塑造我学科的传统智慧，看到恐龙血细胞是不可能的。在我向教职员工和其他研究生征求关于红色球体身份的意见后，这个谜题的消息传到了博物馆的古生物学馆长，也是世界顶级的恐龙权威之一杰克·霍纳那里。他亲自看了一下。他皱着眉头，透过显微镜凝视了似乎几个小时，一言不发。然后，他抬起头，皱着眉头看着我，问道：“你认为它们是什么？”当我回答说我不知道，但它们的大小、形状、位置和颜色都像是血细胞时，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，并且一直有助于构建我的研究。
自从早期的发现以来，我的同事和我已经从多个化石遗骸中回收了各种类型的有机残留物——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，尽管这种保存可能不常见，但也不是一次性的。这些发现不仅与化石化过程的教科书描述相悖，它们还为早已逝去的生物的生物学提供了新的见解。例如，另一块霸王龙标本的骨骼显示，这只动物是一只雌性，在死亡时“即将产卵”（准备产卵）——这是我们无法仅从骨骼的形状和大小中获取的信息。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，有助于确定该恐龙具有与现代鸟类的羽毛在分子水平上一致的结构，而不仅仅是形态学上的一致。
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最初的迹象
正如古老的谚语所说，非凡的主张需要非凡的证据。谨慎的科学家会尽一切努力反驳他们自己珍爱的假设，然后才接受他们的想法是正确的。因此，在过去的20年中，我一直在尝试我能想到的每项实验，以反驳我的合作者和我发现的材料是曾经活着的动物产生的组织成分的假设。
对于我在霸王龙骨骼中看到的红色微观结构，我推断，如果它们与血细胞或其成分（例如血红蛋白分子或从垂死血细胞释放后聚集在一起的血红素）有关，那么只有在骨骼本身保存得异常完好的情况下，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。在宏观层面，这只恐龙符合这一标准。这具骨骼，来自蒙大拿州东部的一个近乎完整的标本，被称为MOR 555，包括许多罕见的保存完好的骨骼。肢骨薄片的显微镜检查显示出同样原始的保存状态。致密骨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。
接下来，我将注意力转向了类似血细胞的物质的化学成分。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LRRTs，“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，而且也与恐龙埋葬的沉积物的元素组成不同。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，血红素是一种小的含铁分子，它赋予脊椎动物血液鲜红色，并使血红蛋白能够将氧气从肺部输送到身体的其他部位。当血红素受到调谐激光的刺激时，它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。当我们对整个骨骼样本的提取物进行光谱学测试——测量给定材料发射、吸收或散射的光——时，我们的结果表明，恐龙的骨骼中某处存在与血红素一致的化合物。
我们进行的最引人注目的实验之一利用了免疫反应。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，这些抗体可以特异性识别并结合这些物质。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。当我们随后将这些恐龙抗体暴露于来自火鸡和老鼠的血红蛋白时，它们与血红蛋白结合——这表明在小鼠体内刺激抗体产生的恐龙提取物中包含一种在某些方面类似于活体动物血红蛋白的分子。
我们进行的许多化学和免疫学测试都没有达到杰克最初的挑战，即“证明它们不是”来自霸王龙的血细胞。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——当时我进行这些研究时，可用的技术不够灵敏，无法进行这种区分。因此，我们无法明确声称这些结构源自血细胞。当我们在1997年发表我们的发现时，我们保守地得出结论，声明血红蛋白蛋白可能被保存下来，并且蛋白质最可能的来源是恐龙的细胞。
证据不断积累
通过对霸王龙的初步研究，我开始意识到化石分子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，我们就可以想象解码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给拥有它们的动物带来优势的信息。但我首先必须证明古代蛋白质存在于我们一直在研究的奇妙的霸王龙以外的其他化石中。在与当时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·瓦特合作下，我将注意力转向了两个保存完好的化石，这些化石看起来很有希望回收其他有机分子。
第一个是一个美丽的原始鸟类，名为拉荷纳维斯，古生物学家从石溪大学和麦卡莱斯特学院在马达加斯加的沉积物中挖掘出来，其年代可追溯到晚白垩世时期，大约7000万至6600万年前。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。他们想知道这种物质是否可能类似于覆盖活鸟脚趾骨的角蛋白蛋白制成的坚固鞘，从而形成它们的爪子。
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，并且该蛋白质家族的组成使其非常耐降解。它们主要有两种类型：α型和β型。所有脊椎动物都具有α-角蛋白，在人类中，它构成头发和指甲，并帮助皮肤抵抗磨损和脱水。β-角蛋白在哺乳动物中不存在，仅在活生物体中的鸟类和爬行动物中存在。
为了测试拉荷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用于研究霸王龙相同的技术。值得注意的是，抗体测试表明存在α-和β-角蛋白，这两种角蛋白都在活鸟类和爬行动物的爪子中表达。我们还应用了其他诊断工具。一种方法检测到位于脚趾骨覆盖物中的氨基酸，氮（氨基酸的成分）的鉴定支持了这一点。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是其曾经致命的爪子的残余物。
我们探测的第二个标本是纽约市美国自然历史博物馆的研究人员在蒙古发现的壮观的晚白垩世化石。尽管科学家们将这种动物称为沙漠鸟，或者“沙漠鸟”，但它实际上是一只小型食肉恐龙。在清理化石时，博物馆的标本制作师艾米·戴维森注意到动物颈部区域有细小的白色纤维。她问我是否可以判断它们是否是羽毛的残余物。鸟类是恐龙的后裔，化石猎人已经发现了许多保存有羽毛印记的恐龙化石，因此理论上沙漠鸟有一层绒毛的说法是合理的。然而，我没有想到像羽毛这样精致的结构能够经受住时间的摧残。我怀疑白色纤维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。这些纤维是空心的，并且包含与β-角蛋白分子结构一致的细小细丝。此外，随后对奇怪的白色股线的成分进行的分析表明存在角蛋白。活鸟的成熟羽毛几乎完全由β-角蛋白组成。如果沙漠鸟上的小纤维与羽毛有关，那么它们应该只含有β-角蛋白，这与拉荷纳维斯的爪鞘形成对比，后者同时含有α-和β-角蛋白。事实上，这正是我们在进行抗体测试时发现的——我们在1999年发表了这些结果。
非凡的发现
到现在为止，我确信原始蛋白质的小残余物可以在保存非常完好的化石中幸存下来，并且我们拥有识别它们的工具。但是，科学界的许多人仍然不相信。我们的发现挑战了他们认为他们所了解的关于细胞和分子分解的一切。有机分子的试管研究表明，蛋白质不应持续超过一百万年左右；DNA的预测寿命甚至更短。研究人员此前声称他们已经回收了数百万年前的DNA，但随后的工作未能验证结果，加剧了围绕回收非常古老的分子的主张的争议。唯一被广泛接受的关于古代分子的主张不超过数万年。
为了回应这种抵制，一位同事建议我稍微退后一步，证明我们的方法在识别古老但不如恐龙骨骼那么古老的骨骼中的古代蛋白质的有效性。我们与哈佛大学的分析化学家约翰·阿萨拉合作，从估计有30万至60万年历史的猛犸象化石中获得了蛋白质。使用称为质谱法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年发表的结果并没有引起太多争议。事实上，科学界在很大程度上忽略了它。但是我们的原理验证即将派上用场。
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一具。与上述较年轻的霸王龙一样，这具被称为MOR 1125的骨骼，昵称“Brex”，以发现者鲍勃·哈蒙的名字命名，是从蒙大拿州东部的地狱溪组中回收的。偏远地点没有车辆通道，因此直升机将装有挖掘出的骨骼的石膏套从现场运到营地。装有腿骨的套筒太重，直升机无法吊起。因此，为了取回它们，团队打破了套筒，分离了骨骼并重新套上套筒。但是这些骨骼非常脆弱，当最初的套筒打开时，许多骨骼碎片掉了出来，被收集起来并装箱给我。由于我最初的霸王龙研究存在争议，我渴望在第二只霸王龙上重复这项工作，而这次发现提供了一个完美的机会。
当我看到我从那个盒子里取出的第一块骨头，一块股骨碎片时，我就知道这具骨骼很特别。这块碎片的内表面衬有一层薄而明显的骨骼类型，这种骨骼类型从未在恐龙中发现过。这层骨骼非常纤维状，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，这是一个女孩——而且她怀孕了！”我对我当时的助手詹妮弗·威特梅尔惊呼道。她看着我，好像我疯了一样。但是，在研究过鸟类生理学之后，我几乎可以肯定，这种独特的特征是髓质骨，髓质骨是一种特殊的组织，只在有限的时间内出现（通常只有大约两周），当鸟类即将产卵时。这种特殊的骨组织的存在是为了提供钙的简便来源，以强化蛋壳，当最后一个蛋产下时，髓质骨会被迅速吸收。
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方向，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出现相同的组织——这就是为什么您在愈合的骨骼中感觉到肿块的原因。）任何动物的骨骼都可以使用温和的酸脱矿质，以揭示胶原纤维的明显排列。在活鸟中，去除髓质骨中的矿物质应该留下随机方向的纤维。但这只恐龙是恐龙，而不是鸟类。我认为恐龙骨骼中几乎所有的有机物都消失了，如果我们让反应运行时间过长，我们将一无所获，因此威特梅尔和我决定轻轻蚀刻表面。令我们惊讶的是，当矿物质溶解时，它们留下了一团柔韧而纤维状的组织。我简直不敢相信我们所看到的。我要求威特梅尔多次重复实验。每次我们将独特的骨骼层放入温和的酸溶液中，都会留下纤维状的弹性材料——就像用同样的方法处理鸟类的髓质骨时一样。
此外，当我们随后溶解更致密、更常见的皮质骨碎片时，我们获得了更多的软组织。空心、透明、柔韧、分支的管子从溶解的基质中出现——它们看起来完全像血管。悬浮在血管内部的是小的、圆形的红色结构，非常像最初的霸王龙中的那些结构，它们让我走上了这条道路，或者是无定形的红色物质堆积物。额外的脱矿质实验揭示了独特外观的骨细胞，称为骨细胞，它们分泌胶原蛋白和其他成分，构成活骨的有机部分。整只恐龙似乎都保存了以前在任何恐龙骨骼中都从未见过的物质！
当我们在2005年发表在科学杂志上的观察结果，报告了看起来像是胶原蛋白、血管和骨细胞的存在时，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——因为当时我们没有化学数据，只有形态学数据。经过数百万年的时间，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。只有当它们的成分能够被辨别出来时，这些材料的真正价值才能被确定。我们的工作才刚刚开始。
利用在研究MOR 555、拉荷纳维斯、沙漠鸟和猛犸象时磨练的所有技术，我开始与阿萨拉合作，对这只霸王龙的骨骼进行深入分析，阿萨拉改进了我们在猛犸象研究中使用的方法，并准备尝试对恐龙更古老的蛋白质进行测序。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，而且蛋白质降解非常严重。尽管如此，我们最终还是能够对蛋白质片段进行测序。令人欣慰的是，当我们的哈佛同事克里斯·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分组最接近，其次是鳄鱼——这两组是恐龙最接近的现存亲属。
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，其中大部分争议都集中在我们对序列数据的解释上。一些反对者指责我们没有产生足够的序列来证明我们的论点；另一些人则认为，我们解释为原始软组织的结构实际上是生物膜——入侵化石骨骼的微生物产生的“粘液”。我对他们的反馈感到复杂。一方面，科学家是靠怀疑精神吃饭的。另一方面，科学基于简约原则运作——对所有数据最简单的解释被认为是正确的。而且我们用多条证据支持了我们的假设。
尽管如此，我知道在科学中，一个单独的惊人发现没有任何长期意义。我们必须对其他恐龙骨骼中的蛋白质进行测序。当一位随我们进行夏季探险的志愿者发现了一只8000万年前的植食性鸭嘴龙加拿大短冠龙（简称“短冠龙”）的骨骼时，我们甚至在将它的骨骼从地下挖出来之前就怀疑鸭嘴龙可能是古代蛋白质的良好来源。希望它可能含有有机物，我们尽一切努力尽快将其从周围的砂岩中解放出来，同时最大限度地减少其暴露于化学物质、污染物和元素中。空气污染物、湿度波动等会对脆弱的分子造成非常有害的影响，骨骼暴露于这些因素中的任何一个的时间越长，就越有可能发生污染和降解。
也许是由于这种额外的谨慎——以及及时的分析——第二只恐龙的化学性质和形态都比Brex的改变更少。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。这些细胞表现出长而细的树枝状延伸，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地方。其中一些甚至包含看起来像是内部结构的东西，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细菌不制造的其他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最接近现代鸟类的蛋白质序列，就像Brex的一样。我们在2009年的科学杂志上报告了这些发现。
从那时起，我们对从现代鸡到三叠纪材料的生物体的骨骼进行了脱矿质处理，这些材料是在不同的环境和不同的洲收集的，以表明我们可以回收至少四个保存在不止一只恐龙中的元素中的三个：血管、血管内容物、骨细胞和基于胶原蛋白的基质。此外，我们现在有许多独立的证据表明，从Brex和Brachy采集的样本中那些细长的、分支的微观结构确实是曾经活着的恐龙的骨细胞。在最令人信服的实验之一中，我们将这些微观结构暴露于单克隆抗体中，这些抗体与活鸟类骨细胞中表达的一种蛋白质结合，但不与我们用作对照的鳄鱼骨细胞结合。我们发现抗体确实与来自两只恐龙的微观结构结合，模式与我们在鸵鸟骨细胞中看到的相同。尽管我们有数据暗示这些细胞内部存在DNA，但除非我们能够获得与恐龙预测的DNA序列一致的DNA序列，否则我们的发现将不会是结论性的——但DNA可能过于碎片化和改变而无法测序。
对我们工作的一个常见批评是，它与细胞、组织和分子降解模型不一致——所有这些模型都预测寿命远短于8000万年。因此，我们进行了另一组实验，以解决在自然发生的条件下，这些成分如何能够保存如此长的时间。我们注意到，在我们能够回收血管和细胞的所有情况下，我们也看到了铁，铁以仅在高倍透射电子显微镜下可见的微小颗粒的形式嵌入。我们推断，这种铁可能来自富含铁的血红蛋白的分解，血红蛋白是由垂死的红细胞释放出来的。随着血红蛋白分子的分解，它们释放的不稳定的生物铁会发生化学反应，从而释放出高反应性的游离羟基自由基。这些饥饿的分子会攻击组织，窃取电子以使自身更稳定，并在该过程中导致组织分子之间形成交联。这种反应在活生物体中是致命的，因为交联的分子无法正常发挥功能，但其作用很像将组织放入甲醛中——甲醛也是一种防腐剂，也会导致交联形成。
在实验中，我们观察到，如果首先将从现代骨骼中回收的血管短暂浸泡在红细胞裂解物中，则它们可以在室温下的水中保持稳定两年以上，而未经处理的血管会在几天到几周内降解。这些结果表明，血液裂解物中的自由基可能使组织免受早期降解。
我们的结果受到了很多怀疑。毕竟，它们非常令人惊讶，但它们也充满了希望。对恐龙古代有机分子的研究可以深入了解这些伟大生物是如何进化的，它们是如何应对重大的环境变化的，以及最终是什么导致了它们的灭绝。