科技赋能唱响“当代寻龙记”

科学画报 · 公众号 · 科学 · 2024-11-25 16:14

正文

龙，是中华民族重要的图腾和象征，它融入了民族的审美追求和精神力量，具有深厚的历史和文化内涵。我们无法确定龙起源于何处，但对它的描绘中常常呈现出与另一种神秘动物——恐龙相似的特征，如昂首、曲颈、弓背、长尾等。这让人不禁好奇，二者之间究竟有什么样的奥秘与联系？

文/邓元慧王国强

邓元慧，中国科协创新战略研究院副研究员。

王国强，中国科协创新战略研究院研究员。

人类对恐龙的追寻历程已有200年。通过这个过程，我们或许能找到“龙”和“恐龙”之间微妙的关联。1842年，英国古生物学家理查德· 欧文首次提出使用“恐龙”（Dinosauria）来概括当时已发现的3种大型古爬行动物：禽龙、斑龙和森林龙，正式揭开这一类群的研究序幕。事实上，“Dinosauria”源自希腊语，“Dino-”意为“恐怖的”，“saur-”意为“蜥蜴”，而“-ia”的结尾则代表“类”。那么，“恐怖的蜥蜴”是如何与“龙”联系上的？

相关文献记载和研究显示，“恐龙”一词是由日本传入中国的。1891年，日本地质学家小藤文次郎在其著作《地球发育史》中首次将“saur”一词翻译成“龙”。1895年，日本古生物学家横山又次郎首次将“恐龙”一词使用在其《化石学教科书》中，并与动物学家饭岛魁就“恐龙”还是“恐蜥”进行了长达几十年的争论，最后“恐龙”一词被沿用下来。日本学者荒川纮在《竜的起源》（日文起源于中国的汉字，而“竜”在古汉语中同“龙”）中曾对此从文化视角进行了分析，指出：“蜥蜴太过贫弱，竜更加给人以心理上的震撼，所以恐竜的译法更合适。”

时至今日，科学家在世界七大洲都发现了恐龙遗迹，被命名的恐龙已有1 000多种。随着科技的进步，科学家研究恐龙的技术和手段也更加多元化，科技让人类的“寻龙”之路越来越宽、越来越远。

高精度成像技术让恐龙研究者拥有“透视眼”

过去，对化石的研究主要是通过光学显微镜和扫描电子显微镜，若想了解化石的内部结构，不得不采用耗时且毁坏性强的古组织切片或者连续磨片法对化石进行“解剖”。现在，高精度成像解析技术可以帮助科学家无损地“透视”化石内部的细微结构，发现前所未知的信息。

20世纪70年代，美国科学家阿兰·科马克提出从不同角度进行X射线照射来测定人体或组织内部结构的设想，并进行了计算与设计。1972年，英国电子学家戈弗雷·亨斯菲尔德研制出第一台用于脑部检查的X射线计算机断层成像（简称X-CT）设备，推动了医学影像学的革命性变革。随后，磁共振CT、放射性核素CT、超声CT等设备相继诞生，为提升人类疾病诊断的检出率和准确率奠定了基础。CT技术的发展也启发了古生物学家，20世纪末他们开始探索利用CT技术探查化石的内在奥秘。但是，普通医用CT设备的分辨率并不能满足科学家的研究需求。于是，化石专用CT技术应运而生，为古生物学领域的应用研究提供了重要的技术支撑。

▲ 古生物研究中常用的CT设备（供图/云南大学古生物研究院）

与医用和常规工业CT设备相比，化石专用CT设备的X射线强度要大得多，对样品的穿透能力及位置的分辨能力的要求也更高，既要求清晰再现化石内部的微细结构，又要求能够在图像上区分密度差异很小的化石与岩石，以便去掉无用的岩石信息，准确复原化石的三维结构。高精度CT技术精确呈现化石内部结构的能力对恐龙研究非常有价值。例如，科学家可以通过高精度CT技术获取恐龙头骨、骨盆、胚胎、内耳等结构的三维重建图像，为了解恐龙的内部构造提供新的手段，有助于人们更好地了解恐龙的身体功能和进化史。2020年，我国科学家运用CT技术对“新中国第一龙”棘鼻青岛龙的头饰组成部分进行了复原重建，发现该龙鼻骨内部虽为实心结构，但其与上颌骨共同组成了比目前正型标本更大的向前上方伸展的中空头饰，且其鼻骨根部分成了两支，有一个窄条状结构夹于其中。科学家还从复原重建的模型中推断出了棘鼻青岛龙与鸭嘴龙及赖氏龙之间的演化关系，为我们更好地了解和揭示棘鼻青岛龙的生理特征和演化史提供了参考。

同时，科学家还利用激光诱导荧光技术揭示恐龙真正的外形。激光诱导荧光技术是一种利用高强度激光“刺激”一些保留在岩石基质里的软组织、鳞片、羽毛等的原子，令它们发光的崭新技术。2017年，科学家使用激光诱导荧光成像技术发现，生活在侏罗纪晚期的恐龙近鸟龙有着类似鸟类的前肢、后肢、尾巴和脚垫，这一成果使科学家成功重塑首个带羽毛的近鸟类恐龙的身体轮廓。这不仅对确定近鸟龙是否会飞、恐龙如何尝试飞行、飞行能力如何演化等提供了参考，也有助于人类对鸟类起源的研究。2022年，科学家成功利用激光成像技术，重新检视了白垩纪时期一只2米长、用两足步行的草食性恐龙鹦鹉嘴龙的皮肤化石，首次发现了完整的恐龙肚脐，这对揭示恐龙的新特征、推动对恐龙演化历程的研究有着重要意义。

分子生物学技术解开恐龙遗传、演化的奥秘

随着生命科学的发展，人类对生物体的研究已深入分子层面。通过对遗传物质DNA的研究，人类可以更加深入地了解生物体的结构、功能，阐明生命现象的本质。对恐龙研究来说，分子生物学技术可以帮助研究者了解恐龙的基因组组成，重建恐龙基因组的序列，重塑不同恐龙的外貌和行为等特征，进而探索恐龙的进化史以及它们与现代生物的亲缘关系。

但是，要提取有效的恐龙DNA信息并不容易。在电影《侏罗纪公园》中，科学家通过提取琥珀里面困住的远古蚊子体内的血液来获得恐龙基因的方法，事实上既不科学也不可行。一方面，由于距今年代久远，古DNA绝大部分已经完全降解，保存良好的样品十分稀少，且提取到的内源DNA含量低，绝大部分为外源的微生物DNA；另一方面，古DNA在获取时极易遭受污染，因此，古DNA测序时真正有用的DNA含量极少，仅1%左右。早在20世纪80年代，科学家就开始了对古DNA技术的研究。得益于人类全基因组的发表和高通量测序技术的发展，古DNA技术在21世纪初得到了蓬勃发展。瑞典生物学家斯万特· 佩博开创性地解决了DNA污染问题，搭建了世界上第一个古DNA研究的超净室，并设计出超净室的工作规则，为古DNA研究奠定了坚实的基础，也因此获得了2022年诺贝尔生理学或医学奖。

20世纪90年代，我国科学家就曾在一只恐龙蛋上发现了一些珍贵的基因片段。2021年10月，中国科学院的考古团队在尾羽龙的化石中发现了携带细丝状染色质的细胞，这一发现震惊了世界。但是，要想精确地“捕获”古DNA还需通过设计“诱饵”，即通过设计DNA或RNA探针，像钓鱼一样将目标DNA从海量的污染DNA中“钓”出来，再进行测序和解析，但目前能获取到的也只是恐龙DNA的一些片段。

古生物颜色复原技术开启斑斓的恐龙世界大门

通常，古动物化石中只保存了骨骼硬体部分，反映动物颜色的皮肤软组织结构早已消失。在缺少直接信息来源的情况下，过去古动物颜色的复原基本只能靠人们结合现代动物进行有限的合理推断。事实上，一些化石经过特殊沉积物质埋藏成岩的过程，保存了生物体的微细构造和软组织，且一些有机大分子在这一过程中也保留了化学成分的“骨架”，为人们准确复原古动物颜色提供了可能。

受乌贼墨囊的启发，科学家联想到黑色素应是现代动物和恐龙共同具备的色素。天然黑色素包含真黑色素和褐黑色素两种类型，它们都被储存在体内称为“黑素体”的细胞结构中，但包含这两种不同分子结构黑色素的黑素体在几何形状上存在明显的差异：真黑素体更为细长，褐黑素体更接近球形。当光线照射在黑素体的空泡样结构上时，会发生干涉现象，若反射光的波长恰好与黑素体的直径相等，则将产生增强效应，呈现特定的颜色。因此，黑素体越细长，其反射光的波长越短，颜色越偏向紫色，反之则偏向红色。此外，黑素体会在细胞中按照特定的顺序排列在一起，故黑素体的排列方式也将对整体反射的光产生影响。那么，如果能确定化石中的黑素体形状和排列方式，就能够为颜色复原提供最基础的信息。

▲ 根据黑素体的大小、形状和结构可推测古生物的颜色

黑素体主要有两种形态，一种包含真黑色素，另一种包含褐黑色素，它们的几何形状有明显差异。不同黑素体的排列组合会反射出不同波长的光，呈现出不同的颜色。通过分析现代鸟类羽毛中的黑素体，研究人员建立了一个数据库，可以根据化石黑素体的大小、形状和排列来推测已灭绝动物羽毛的颜色。

不过，仅有黑素体的信息并不够，古生物学家还需要通过观察现生鸟类不同颜色羽毛中的黑素体，根据黑素体形态、排列方式和颜色之间的对应关系建立相应的数据集，利用特定的统计判别分析模型，对从恐龙羽毛化石中测得的黑素体数据与现生鸟类羽毛中各类型黑素体的数据集进行相似性检验，才可以推断出恐龙羽毛化石取样位置处的可能颜色。

目前，科学家已用这种方法为中华龙鸟、中国鸟龙、近鸟龙、小盗龙、彩虹龙等恐龙的体表颜色进行了复原。科学家推测，这些带羽毛的恐龙的身体以灰色、褐色、黄色及红色为主要色彩，恐龙不再只是或绿或棕的“丑”家伙了。

▲ 还原古生物的真实颜色

被称为黑素体的微观色素细胞结构可以在化石中保存数千万年。通过对保存下来的黑素体进行研究，科学家可以重建包括许多恐龙在内的多种已灭绝动物的真实颜色。这些发现不仅能够揭示这些动物的真实面貌，而且能够帮助人们更好地了解它们的生活习性和生存环境。

大数据、人工智能加速恐龙研究方式的转变

大数据和人工智能的发展为恐龙研究开辟了新领域，也提升了研究的效率。高精度成像技术为科学家揭示化石中的隐藏结构提供了强有力的支撑，但解析高分辨率图像还需要科学家花费相当长的时间。通过引入人工智能，可以避免过去依靠人工主观判断带来的误差，大大提高了化石的识别速度和精度。同时，随着研究的深入，古生物学已从定性描述进入定量计算时代，分析的规模越来越大，涉及的物种成千上万，性状更是纷繁复杂，这些研究都离不开大数据和高性能计算机的协助。通过大数据与人工智能的手段，科学家可以更好地对恐龙生活的生态环境、气候特征、行为方式等进行模拟，有助于理解恐龙的生存方式和演化历史，对恐龙可能的行为和反应进行推测。

尽管现在大数据和人工智能在恐龙化石研究中的应用才刚刚起步，很多方面还没有科学家“聪明”，但是可以预见，随着更多的算法优化和越来越多的数据样本积累，大数据和人工智能将在恐龙研究中发挥更大的作用，成为科学家的得力“助手”。

现代科技的发展为恐龙研究注入了新的活力，极大地加速了研究的进程，拓展了研究的深度和广度。我们期待在不久的将来，在科技的助力下，人类能够更加清晰地追寻和感受恐龙的“足迹”，唱响唱好当代“寻龙记”，寻根溯源，更加深入地了解地球的历史与生命的演化。

END

更多关于恐龙的科学

∨

▲《让恐龙“活”过来》

▲《中国的恐龙》