问题

中国科研团队发现 1.25 亿年前恐龙软骨细胞,具有哪些意义?

回答
中国科研团队在距今1.25亿年前的恐龙化石中,成功发现了恐龙的软骨细胞。这一突破性的发现,对于我们理解恐龙的生物学特性、生长发育以及生命的演化过程,无疑具有里程碑式的意义。

一、揭示恐龙的真实生命状态,打破“静态化石”的局限

长期以来,我们对恐龙的认知主要来自于骨骼化石。骨骼提供了关于恐龙体型、骨骼结构以及部分行为推断的宝贵信息,但它仅仅是恐龙生命体的一个“遗骸”,无法展现其鲜活的生命迹象。软骨,作为连接骨骼、构成关节的重要组织,在恐龙的生长、运动以及身体的柔韧性方面扮演着至关重要的角色。

此次发现的软骨细胞,将恐龙的生命状态从静态的骨骼推向了更具动态的生理层面。这意味着我们不再仅仅看到一块冰冷的骨头,而是能够窥探到构成这具庞大身躯的细胞层面的细节。这些细胞的形态、结构,甚至潜在的生物化学信息,都可能为我们提供前所未有的信息。

二、深入理解恐龙的生长发育机制

软骨细胞是软骨组织生长和发育的基础。通过对这些距今1.25亿年前的软骨细胞进行研究,科学家们有望揭示恐龙是如何生长和发育的。例如:

骨骺板的秘密: 在脊椎动物的骨骼生长过程中,骨骺板(epiphyseal plate)扮演着关键角色,是长骨生长的地方。软骨细胞在骨骺板中进行增殖、分化,最终形成新的骨骼组织。研究这些恐龙的软骨细胞,可以帮助我们推测恐龙的骨骼是如何增厚的,它们的生长速率如何,以及它们在生命的不同阶段是如何“长大”的。
关节的形成与磨损: 恐龙的活动范围广阔,它们的关节必然承受巨大的压力。软骨细胞在维持关节的润滑和缓冲方面起着至关重要的作用。对这些古老软骨细胞的观察,或许能提供关于恐龙关节结构、功能以及可能的退化、磨损过程的线索。这对于理解恐龙的运动方式和寿命长度都有重要意义。
个体发育阶段的判断: 软骨细胞的成熟程度与个体的发育阶段密切相关。通过分析发现的软骨细胞,科学家们或许能够更精确地判断化石恐龙的年龄,是幼年、亚成体还是成年个体,从而更全面地理解恐龙的生命周期。

三、重建恐龙的生理功能与行为模式

虽然软骨细胞本身不会直接表现出行为,但它们的生理状态可以间接反映恐龙的生理功能和可能的生活方式:

新陈代谢与营养需求: 软骨细胞的生长和维持需要特定的营养物质和能量。分析软骨细胞的结构和可能的生物标记物,或许能提供关于恐龙新陈代谢的线索,推测它们需要怎样的饮食结构和生理支持。
运动能力推测: 软骨的质量和结构直接影响关节的灵活性和承载能力。如果发现的软骨细胞显示出高度发达的结构,或者其形态暗示着特殊的抗压能力,那么我们可以对该恐龙的运动能力有更深入的认识,例如它们奔跑的速度、跳跃的高度或者爬行的姿态。
疾病与健康状况的佐证: 在现代生物学中,软骨的异常是许多疾病(如关节炎)的标志。如果科学家能在恐龙软骨细胞中发现一些病理性的改变,那将为我们提供恐龙也可能患上类似疾病的证据,丰富我们对恐龙健康状况的认知。

四、追溯哺乳动物与恐龙的亲缘关系及共同演化特征

我们如今的软骨细胞,其基本结构和功能与远古时代的生物存在着高度的相似性。通过研究恐龙的软骨细胞,我们可以在细胞层面建立起恐龙与我们自身以及其他脊椎动物的联系。

解剖学和组织学的连续性: 这一发现可以帮助我们更好地理解哺乳动物和恐龙在软骨组织结构上的连续性,以及这种组织在漫长演化过程中是如何保持基本形态和功能的。
潜在的分子生物学线索: 如果技术允许,未来甚至可能从中提取出一些古老的蛋白质或DNA片段(尽管可能性很小,但理论上存在),这将为我们揭示恐龙的分子生物学特征提供前所未有的机会,进一步理解脊椎动物的演化路径。

五、推动古生物学研究方法与技术的发展

成功从如此古老的化石中提取和识别出软骨细胞,本身就是一项了不起的成就,它标志着古生物学研究在技术层面上又迈上了一个新台阶。

超高分辨率成像技术: 能够清晰地识别出细胞结构,很可能依赖于先进的成像技术,如电子显微镜或新型的三维成像技术,这些技术本身的发展和应用就具有重要意义。
微痕迹分析与保存机制的理解: 软骨组织比骨骼更脆弱,更容易分解。能在1.25亿年后仍然保存下来,对我们理解化石的形成过程、保存条件以及有机物质的化学稳定性提供了新的视角。

总而言之,中国科研团队发现的1.25亿年前恐龙软骨细胞,绝非仅仅是发现了“细胞”本身,它是一扇通往恐龙鲜活生命世界的窗口。这一发现的重要性体现在:它打破了我们对化石的静态认知,将恐龙的研究推向了细胞和生理层面;它为我们深入理解恐龙的生长发育、生理功能和行为模式提供了直接证据;它在脊椎动物演化的大图景中,为我们勾勒出更加精细的联系;同时,它也代表着古生物学研究技术的一次飞跃,为未来的研究开辟了新的可能性。这无疑是一项可以载入史册的科学发现。

网友意见

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来填坑。

这个研究说实话,这个意义嘛,不算突出,并且多多少少有点生不逢时的感觉。如果能早几年的话可能有希望发NC,不过现在类似的研究确实也做了不少了,要是早一点,我觉得可能意义更大一些。

进入主题之前先八卦一下,这篇论文的一作是郑晓廷老师,路人可能不熟悉这位老爷子,但是他在业内确实非常知名,是热河生物群研究绕不开的角色。他被称作最牛民科初中肄业,当过金矿矿长,县人大副主任,凭借黄金回收技术的开发拿过国际科学技术进步奖三等奖,在投身古生物研究后组织建立了全世界最大的恐龙博物馆山东天宇自然博物馆,靠自己的兴趣和努力成为了临沂大学的教授与该校古生物研究所首任所长,发过naturesciencePNAS,并极其罕见地成为了郑氏晓廷龙(Xiaotingia zhengi)的种名属名双名冠名者——总而言之,这老爷子这辈子真的是活得非常潇洒,作为一个没有接受系统科班训练的人,他的成果在一圈专业人士中间还是非常耀眼,确实是相当厉害,颇有19世纪的古人之风。不过夸归夸,我还是怀疑这篇文章的主要作者应该是专门从事古组织学(尤其是中生代恐龙软骨)的 Alida M. Bailleul,她是古脊椎所的外籍副研究员(应该是才聘请没多久,之前是古脊椎所的博后),之前已经有了一些有关于化石中亚细胞结构的研究成果,所以按照这个研究顺序,我估计应该是天宇出的化石,然后Bailleul 做的研究。

好,我们回归正题。来聊一聊这个研究的大体情况,其实新闻通稿说的差不多了,但是为了水字数我还是简单说一下这个背景和思路。在上个世纪中叶,就有很多研究人员开始尝试去探索生物化石更细微的结构,他们主要的关注对象是生物大分子的保存和遗留,比如古DNA,古蛋白质,古氨基酸等等,在这一期间,许多经典的现代生物学技术被引入了古生物学研究,比如免疫荧光、ELISA等。1966年,Pawlicki等[1]报道在恐龙的骨骼化石中发现了骨细胞样结构,但是这一发现并未受到科学界的普遍认可。1971年,Gould[2]报道了三叠纪的苏铁类植物Lyssoxylon grigsbyi 化石中保存了细胞核,核仁以及染色质颗粒,这使得古生物化石中的亚细胞结构以极具说服力的形式出现在研究者的视野之中。由于植物细胞有细胞壁的保护,它们在地质作用下更有机会成功保存。因此,植物,尤其是维管植物的细胞化石成为了非常有趣的研究对象,如2014年有关紫萁(Osmundacea)的研究成功印证了这一类植物的保守性——在经过了1.8亿年的漫长演化之后,现生紫萁的核型结构依旧没有发生什么变化,哪怕它们出现的时候恐龙都还没有诞生[3]

相较而言,动物细胞的保存就更具有挑战性了。时隔三十年,1995年,Pawlicki 再一次发表了一篇有关于细胞化石的论文。这一次,他的证据更为坚实,它采用福尔根染色法和溴化乙锭标记了化石中的细胞核和核仁,虽然染色法是最简单的生物学操作,但是它确实非常可靠——染出来,说明细胞就在那。在这之后,动物化石的细胞研究变得多了起来。本文作者Bailleul 正是专注于此的研究者之一,她在2020年在NSR上发表了一篇有关于斯氏亚冠龙(Hypacrosaurus stebingeri )软骨细胞亚细胞结构及胶原蛋白残留的研究,她利用包括免疫学在内的多种技术处理这具化石,得到了比较清晰的染色体结构与古DNA证据——当然,后者的可靠性还是有商榷余地的[4]。其实要我说这个研究的影响力还蛮大的,她的论文发表后,不少研究团队都尝试在恐龙化石里面找细胞——当然,不是恐龙的也行。

还是回到今天的主体,终于绕到今天的这次研究了。这次的化石材料是尾羽龙(Caudipteryx ),这是一类与鸟类起源关系密切的小兽脚类恐龙,算是半个明星物种。这次的标本并不完整,以至于没有定种,不过剩下的部分保存完好。他们选取的位置是股骨的关节软骨(这也是最有可能保存细胞结构的部分),提取了一小块碎片用于研究。研究人员先用扫描电镜和透射电镜观察了碎片,并发现了一些类似于细胞的结构。其中扫描电镜的结果比较容易看懂,我就放出来给大家看看。

当然重头戏呢是细胞染色,虽然这是一项初中生都掌握的生物学入门实验,但是只要用对地方还是可以发大文章的。染色剂是苏木精-伊红,是及其常见的核染色剂。染出来的效果就是那种粉红肉色,大家通常看到的组织切片就是用这个染的。结果还是非常有趣,相较于亚冠龙的切片,这次的清晰度以及与现生生物(鸡)细胞的相似度都更高。我们可以很清楚的看到细胞核结构——这样一来就不用担心这是倒霉的微生物的痕迹。

那么这项研究的主要意义是什么呢?我认为关键点还是再一次说明了软骨细胞的保存潜力,既然今天有细胞核,那明天说不定就有DNA,后天说不定就有序列信息——当然,这个概率还是挺小的,不过前段时期古DNA突破了百万年大关[5],说不定真有一天我们有机会见证以某种特殊方式保存的恐龙DNA信息。即便我们无法得到序列信息,但我们依然获得了传统形态学研究未能提供给我们的新的切入点——有关于软组织、内脏器官以及细胞形态的研究是可能的,如果有一天我们可以对恐龙的细胞进行核型分析,那这对我们了解鸟类的演化将具有重大的意义——毕竟,绝大多数鸟类有七八十条染色体,这比爬行动物和哺乳动物都多得多,这么多的染色体数目与它们在白垩纪大灭绝中的存续以及新生代的快速演化有关吗?或许有一天恐龙的染色体能给我们答案。

参考

  1. ^ https://www.nature.com/articles/211655a0
  2. ^ https://bsapubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/j.1537-2197.1971.tb09968.x
  3. ^ https://www.science.org/doi/10.1126/science.1249884
  4. ^ https://academic.oup.com/nsr/article/7/4/815/5762999
  5. ^ https://www.nature.com/articles/s41586-021-03224-9

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