在蛋壳化石中检测到的有机物质可以解开恐龙的秘密

作为一名科学家,实验室工作有时会变得单调。但在2017年,当我在英国布里斯托尔大学攻读古生物学博士学位时,我听到房间对面传来一阵欢快的惊呼声。

柯斯蒂·彭克曼,负责人东北氨基酸外消旋实验室在约克大学,刚刚阅读了从色谱图上打印出来的数据,几乎上蹿下跳。

该仪器检测到了古代的迹象氨基酸在蛋壳里。氨基酸是构成生物体蛋白质序列的组成部分。

但这不仅仅是一个蛋壳;这是一块化石泰坦巨龙一个巨型草食性恐龙生活在大约7000万年前。

Kirsty Penkman看到的色谱仪打印输出。每个峰代表仪器在分析过程中检测到的氨基酸。(埃文·赛塔)

在数百万年的时间里,没有多少有机物质能够存活下来,这限制了科学家研究已灭绝生物的生物学能力,而现代生物的蛋白质和DNA可以被测序。正如彭克曼的热情所暗示的那样,这些氨基酸是非凡的。

事实上,在我们团队努力测试的过程中,这个结果是出乎意料的声称近乎原始的蛋白质保存恐龙骨。我给彭克曼带来了各种化石骨头,但建议的结果没有原始氨基酸被保存下来,而且它们甚至被微生物污染从他们被埋葬的环境来看。

测试蛋壳化石甚至不在我们最初的研究计划中。

孤儿化石碎片

然而,我刚刚看到我的同事比阿特丽斯·德马奇,Penkman和他们的团队在以下方面检测到了短蛋白质序列380万年前的鸟蛋壳.我预测,如果恐龙蛋壳没有保留任何原始蛋白质,那么它们的骨骼很可能也不会保留任何蛋白质,并想看看情况是否如此。幸运的是,我们有恐龙蛋壳的来源。

2000年左右,许多蛋壳碎片从阿根廷非法出口到阿根廷商业市场.作为一个痴迷化石的孩子,我甚至从一家美国矿物商店收到了一枚硬币大小的碎片。彭克曼和我测试了这个碎片,以及欧洲博物馆礼品店的另一个碎片。

这些化石碎片在某种程度上获得了科学价值,因为它们不属于任何博物馆藏品。在分析过程中,我们不必担心损坏它们。令我们惊讶的是,我们偶然发现了一个难得的机会来研究恐龙的古代有机遗骸。

蛋壳中的氨基酸

在这个初步发现的推动下,我们的大型国际团队使用各种技术分析了更多来自阿根廷、西班牙和中国的恐龙蛋壳。

尽管一些蛋壳比其他蛋壳保存的氨基酸要好得多,但总体证据表明这些分子是古老而原始的,可能在6600万至8600万年之间。

在生命过程中,有助于钙化蛋壳的蛋白质被困在矿物晶体中。然而,我们检测到的其余氨基酸由游离分子组成,这些游离分子通过与水反应而从蛋白质链上脱落。我们只检测到一些最稳定的氨基酸。不太稳定的没有,因为它们已经退化了。

泰坦龙,四种保存的氨基酸的模型,以及从蛋白质序列分解成游离氨基酸的反应。(Arthur S. Brum(剪影)、Ben Mills(球棒模型)、V8rik(水解反应))

仍然保留的氨基酸是什么化学家称外消旋.氨基酸可以以左手或右手构型出现。生物体调节它们的氨基酸,使它们几乎完全以左旋结构出现。生物体死亡后,氨基酸可以在双手之间转换,直到它们达到两种配置的 50-50 种混合物。

50-50 的混合物被称为外消旋,表明氨基酸已从其蛋白质链中分离出来很久以前.

氨基酸的左旋和右旋版本。虽然所谓的立体异构体具有相同的化学式,但它们被组织为彼此的镜像。(美国宇航局)

方解石,氨基酸档案

我们的恐龙蛋壳结果显示,比在较年轻的化石中看到的更极端的退化。鸟蛋壳软体动物壳.我们的结果也匹配那些来自实验的在实验室中将蛋壳暴露在高温下,模拟数千年或数百万年的降解。

生物体用一种碳酸钙矿物称为方解石.与构成骨骼的磷酸钙不同,方解石可以通过捕获参与钙化的蛋白质分解产物(包括从蛋白质序列中分离出来的游离氨基酸)来充当封闭系统。这个封闭的系统使我们能够在分析中观察氨基酸。

鸟蛋壳甚至在最好的材料在化石中找到保存下来的蛋白质序列,更不用说游离氨基酸了。Demarchi的团队已经检测到至少从鸟蛋壳中检测到仍然结合在链中的短而完整的氨基酸序列650万年前.

其他研究人员声称已经找到了更古老氨基酸,以及更极端以及不太可能声称保留的蛋白质序列。但是,我们的研究使用方法范围更广并报告了我们现在组织中稳定分子的最佳信号知道可以很好地保存分子.

我们的恐龙氨基酸可能保持着迄今为止发现的最古老的蛋白质相关材料的记录,证据非常有力,并且是第一个明确的证据中生代恐龙.

光学显微镜下的恐龙蛋壳。(Siatta 等人,Geochimica et Cosmochimica Acta,2024 年)

使用方解石回顾过去

DNA中的基因序列最终在蛋白质中表达,为科学家可以研究的生物体提供了源代码。但是,如果化石中只保留了一部分氨基酸,这就像从一本书中删除了五个字母之外的所有字母——几乎不可能进行文学分析。那么,这些方解石时间胶囊中可能存在哪些来自古代生活的信息呢?

一种生物信息信号可能涉及稳定同位素,它们是具有不同质量的相同元素的原子。科学家可以看看稳定同位素比率碳、氧或氮,以了解它们的来源,例如动物的饮食。由于蛋壳方解石是一个封闭系统,其氨基酸中的稳定同位素比率更有可能直接来自恐龙,而不是外部污染。

在未来的研究中,我们的团队将使用化石来搜索更远的时间。产卵以外的生物恐龙用方解石加固他们的组织。例如,生活在五亿多年前的海洋节肢动物称为三叶虫他们的眼睛里有方解石.

研究更古老的遗骸可以帮助科学家了解化石在很长一段时间内发生的分子变化。化石方解石是地球的分子时间胶囊,可能会为研究人员提供早已逝去的生命的微弱故事,以便更好地了解他们的生物学。

我们初步分析中使用的孤儿蛋壳发现了一个幸福的结局。他们最终在阿根廷获得了新家巴塔哥尼科自然科学博物馆,巴塔哥尼亚的自然科学博物馆,被遣返到唯一的省份已知产生该类型蛋壳微观结构。

埃文·托马斯·赛塔,古生物学博士后,芝加哥大学

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