远古的DNA想象

（文 / 吴戈）

一只棕色的猛犸仍是动画片《冰河世纪2》的主角。7月6日的《科学》杂志却对猛犸的毛色提出了质疑。莱比锡的普朗克进化人类学研究所从4.3万年前的猛犸骨骼中提取到含有一个关键的肤色基因的DNA片断，发现猛犸也完全可能是一身金毛。

8月15日，日本理化学研究所生物资源中心的小仓淳朗用在普通冷藏库中保存15年之久的小鼠身上提取的精子，成功繁殖出27个完全正常的后代。他的下一个目标锁定了猛犸，但西伯利亚的严寒能保存下DNA完整的猛犸精子吗？谁也没有把握。

更大的希望还是在DNA上。2002年夏，俄罗斯和日本科学家在俄罗斯雅库特一处河滩的永久冻土带中找到两只约3万年前的完整猛犸，皮下蜂窝组织中还有完整的细胞，连细胞核也完好无损。第二年他们就试图从中分离猛犸基因，然后借猛犸的现代近亲亚洲象的卵子和母体繁殖，使它重返人间。

远古DNA的测序难度很大，大多数DNA不是支离破碎，就是被无处不在的现代DNA沾染。2005年春，一个国际研究小组在俄罗斯最北的萨哈共和国又发掘出一头已冰冻2.7万年的猛犸遗骸，残存着肌肉和几撮毛发的头颅还被空运到日本爱知世博会上展出。

从这头猛犸的下颚骨提取的骨髓被送到宾夕法尼亚州立大学，以加拿大麦克马斯特大学进化遗传学家亨德里克·波依纳为首的科学家从2800万个碱基对中发现了1300万个猛犸的细胞核与线粒体DNA。尽管这只相当于全部遗传密码的1%，但该小组使用的新型基因组测序装置只用几小时就完成了这一过程，预计只需一年就能完成全部基因组测序。

( 电影《侏罗纪公园》里描绘的迷惑龙也是昂首屹立，吃树梢嫩叶 )

2005年12月15日，波依纳小组提前在《科学》杂志上公布了他们的成果，因为以普朗克进化人类学研究所为首的另一个小组正在追赶。2006年2月9日，后者在《自然》杂志上宣布，他们通过常规方法提速，测定了一只来自雅库特的猛犸的全部16770个碱基对的线粒体基因组。

两个小组的研究各有千秋，波依纳的小组强调——生物最主要的遗传信息保存在细胞核DNA中，线粒体中的基因组只揭开了进化的一面。德国小组则认为，他们得到的线粒体基因组序列是完整的，对方得到的基因组序列是“破碎”的。

不管怎样，波依纳小组的测序手段无疑是远古DNA研究的一次革命，能够首次对古生物基因组进行完整的测序更令人振奋。波依纳说:“一旦完成了基因组测序，就有100万个有趣的问题可以回答。更重要的是，这表明重新繁殖灭绝的动物理论上是可能的。”麦克马斯特大学副校长曼铎·舒克里说:“学校已经计划召开首次复活灭绝生物的伦理问题研讨会。科学家有责任探索，但同时也要负责地应用我们的研究。”

不得不承认，复活灭绝动物仍然是个挑战。“现在有可能提取猛犸的整个基因组，并不意味着可以将基因组与细胞核内的染色体结合起来，并具有生命的全部功能。”美国自然历史博物馆参加波依纳小组研究的罗斯·麦克菲说:“即使用现代DNA也未必做得到这一点。”

出于难以抑制的好奇心，俄罗斯早在1989年就在西伯利亚建立“更新世公园”，梦想重现冰河时期的生态环境，让猛犸同该地区很多已灭绝的物种，如西伯利亚虎、驼鹿、巨鹿一起重新繁衍。澳大利亚的一个研究小组已经着手研究克隆已灭绝的塔斯马尼亚虎，美国的一个研究小组也开始尝试复活5年前灭绝的一种野生白山羊。

波依纳小组能否完成完整的猛犸基因组测序，取决于自然环境保存的DNA有多完整。“即使能找到完整的细胞，也不能保证它是健康的，如果基因有错误，那就会导致出生缺陷。”英国伦敦学院大学的一位古生物学家提醒道。■

一位医生的侏罗纪游历

谁也没想到，要想揭开恐龙世界的爱恨故事，需要一位骨科医生的眼睛。

纽约的美国自然历史博物馆门厅里陈列着一头重龙化石，它正用结实的后腿跃起，消防水龙一般细长的脖子狂暴地扬起到两层楼高，这个形象已经是这座博物馆以至纽约市标志性的符号。然而这是一个巨大的误解。古病理学家布鲁斯·罗斯柴尔德说:“这个门神是用来激发观众兴趣的，但实际上它无法这样站立。”

精力旺盛的罗斯柴尔德实际上是个医生，也是一个以银行与酿酒闻名的欧洲望族的后裔。他经常驾着私人飞机光顾，但总以斜纹棉布裤子和朴素的男式衬衫露面。他在世界各地飞来飞去，多半是应古生物学家之邀。直到不久前，恐龙骨骼化石还被像矿石一样，用地质的眼光研究。殊不知这些骨头上处处是伤痕和疾病，正是那些消失生活的不灭印记。

“如果这个动物像那样站立。”罗斯柴尔德说，“你应该能看到类似芭蕾舞演员常有的那种疲劳性骨折，在前腿上。疲劳性骨折也应该存在于肋骨下的腰椎区，但那里没有。”在他看来，重龙和芭蕾舞演员，包括他自己，这一点是共同的。“过去就有人提出这样的动作对心脏要求较高，但一直困扰我的是缺乏证据。”现在，罗斯柴尔德的发现推翻了原来的理论。但如果重龙不能用后腿跃起，它怎么自卫呢？

“它用尾巴鞭打的能力增强了。”罗斯柴尔德猜测道，“重龙也可能蹲坐，使脖子避开攻击，并创造一个挥舞前爪的空间。”

没有任何现代动物蹲着自卫，对一种1.5亿年前的动物，这更是一个相当新颖的推断。但罗斯柴尔德也不是没有根据:至少有一块蜥脚类动物的化石上的伤痕表明，它是在蹲伏姿势时受到捕食者攻击的。“我想有关的证据正在补充进来。”

在古病理学这个兼职领域，罗斯柴尔德是个明星，是近600篇论文的共同作者。作为风湿病专家，他在堪萨斯和俄亥俄州的关节炎中心都有职位。变化始于80年代初，当时一个同事无意中请他研究一块化石，他们想知道那只海蜥蜴得的是什么病。从此，一有人想了解骨类化石上的疾病或者伤疤，都会找他，几乎每个星期都有世界各地的邀请。

沧海桑田仍在继续，全世界每个月都会发现新的恐龙种类。芝加哥野外博物馆的彼得·马科维奇说:现在已有900个有效的种类，至少比20年前多了一倍。正是在罗斯柴尔德这些外来者的帮助下，古生物学正一改干巴巴的解剖描述，开始从化石中提炼出生动的生命史。美国自然历史博物馆古生物学主任马克·诺雷尔说:“最近20年，这个领域已经不再限于分类学，而开始思考恐龙生理学、生态学甚至行为学，都是靠研究和实验而不仅仅靠发现催生的分支。”

“古病理学有几个方面的影响。”堪萨斯大学教授拉里·马丁说，“其中最有价值的是使你直接了解到行为，这是古生物研究中最具挑战性的部分。”有的医生从街头走动的行人身上就能观察出异常，罗斯柴尔德则上升到一门艺术的层次。在他眼中，一个博物馆无异于一个史前病房，躺满了重达10吨以上的病人，骨刺、囊肿、骨折、再生、异常骨化和畸形，应有尽有。

在用计算机再现的恐龙时代，霸王龙凶猛地捕猎是经典的恐怖场景。然而最近几年的发现给这种定势投下了疑云。有的研究发现:霸王龙无法快速奔跑。对它脑腔的检查表明，它有一个巨大的嗅觉系统。这些都暗示着:这种强悍的武夫更有可能是一种蹒跚而行的食腐者。

罗斯柴尔德正在为这个谜题寻找新证据。90年代末，他发现霸王龙等兽脚亚目食肉恐龙（前肢小，主要用后肢行走）的胸腔经常有骨折，很可能是奔跑中肚子撞击地面的结果。然而他最近又研究了霸王龙较小的前肢，发现的骨折规律却很像与活着的猎物搏斗过。陡然间，这种动物又变回了嗜血的旧形象，也许更新的证据还会再次撼动这种形象。

2005年9月，罗斯柴尔德在伊利诺伊州的暴龙研讨会上提出:他不再相信所有霸王龙的伤痕都是嘴咬的痕迹。“还记得恐爪龙搏斗的形象吗？”它们个头虽小，却是有着镰刀般前爪的食肉动物。化石表明一只恐爪龙用它强大的后肢挖开了一只三角龙的肚子。“我想这也有可能是暴龙的行为。”罗斯柴尔德说，在大量暴龙化石中，“有很多面对面的交锋，有些伤痕无法解释，除非霸王龙当时是仰面朝天的。”

至少目前，罗斯柴尔德还暂时把这种恐龙想象为敏捷而凶残的角色。他指着化石头骨上的一些愈合痕迹，想象了这种暴徒的性生活。“在很多动物中雌性必须被征服，但雌性往往体型更大，雄性霸王龙不得不在性交中特别富于攻击性。”他说，“我不认为粗暴的性有什么新鲜的，但这里有另一面。”

的确，一些暴龙面部咬伤的痕迹与现代的母狮被雄狮咬下的爱的印记非常相似。一头称为Stan的暴龙就有这些痕迹，但一些骨架证据却表明这是一只雄性。“如果Stan是雌性，一切都好解释。”罗斯柴尔德狡猾地说，“但如果它是雄性，就只能说6500万年前还有另一种类型的性行为了。”

罗斯柴尔德进入这个天地的方式与多数男孩一样，7岁时他看过一本大书，全是栩栩如生的恐龙插图和拉丁文名词。父母希望他当个工程师，但他在新泽西长到十来岁时，已经是自然历史博物馆的常客。

对他显赫的姓氏，罗斯柴尔德总是拒绝谈论。只有一次，他承认尝过那种冠有家族姓氏的昂贵的酒。对他来说，罗斯柴尔德这个姓真正的印记要追溯到他的叔父:莱昂内尔·沃尔特，第二任罗斯柴尔德男爵。这位19世纪的著名博物学者和探险家、鸟类与蝴蝶收藏家拥有大量私人标本，后来成为伦敦自然历史博物馆的动物学部分。因为资金周转不灵，沃尔特还最终将部分收藏卖给了美国自然历史博物馆。沃尔特以古怪出名，他甚至能驾着4匹斑马拉着的老爷车，堂而皇之地驶进白金汉宫。罗斯柴尔德没有叔父的古怪，但在博物馆里的眉飞色舞却一脉相承。

在蛇颈龙化石前，罗斯柴尔德说:“看到肱骨头与胸带相接处的两面低洼了吗？这表明减压失调，减压病！”他指着附近一只鱼龙化石，上面就没有类似现象。“因此蛇颈龙是一种反复深潜的动物，以前并不知道这一点。”

罗斯柴尔德说:“每头沧龙都有减压病的痕迹，但长背龙都没有。瘤龙都有，但大洋龙都没有。”他对海洋生物减压病的追踪已经从三叠纪延伸到哺乳动物时代，直到现代，目的是研究动物是如何进化出解决办法的。“如果我们追溯到始新世的走鲸，就可能发现哪些进化使它们避免了减压病。这对人类很有帮助。别忘了，至今还没有一位潜水员没有减压病。”他说。

减压病不只被看作1841年发现的一种人类病症，而是脊椎动物的共同问题。罗斯柴尔德的研究对象还有霸王龙的痛风，鸭嘴龙的癌细胞，最近的对象则是骨关节炎的进化史，后者也是人类最普遍的困扰之一。

罗斯柴尔德从不根据一块骨头信口开河。多数医生相信骨关节炎与肥胖大有关系，但罗斯柴尔德研究了全世界1万块恐龙骨骼后并不相信。“恐龙的骨关节炎只找到两个例子，都出现在布鲁塞尔发现的一群39只贝尼萨尔禽龙中。”这使人很难相信体重会是个原因。

接着，他又收集了大量现代鸟类的踝骨数据，将其与最早到侏罗纪的禽龙等动物比较。这简直需要一种疯狂的精力。一只鸟的踝骨往往比一个钉子还小，但罗斯柴尔德在每个标本上摸索两三秒钟，就能感觉到有没有比盐粒还小的骨刺，这是骨关节炎的标志。“我已经研究了大约4.5万只鸟，对这个相当在行。”他说。

从恐龙身上得到的经验，也被罗斯柴尔德用到骨科治疗中。恐龙有的关节运动非常有限，人类的运动范围要大得多。“问题在于自然对人的设计并不包括年轻时如此丰富的体育运动，韧带的拉伸和损伤无法修复，肌肉就不得不接替。年老以后不再活跃，补充稳定性的肌肉慢慢萎缩，韧带又不能承担，就有了骨关节炎。”因此，罗斯柴尔德很少让患者动手术，而主张用锻炼恢复肌肉控制。

只有一个视野跨越历史的医生兼古病理学家，才能从禽龙、非洲食蜂鸟，还有博物馆咖啡厅里喧闹的孩子身上，看出一种富于启迪的天然联系，那是整个脊椎动物的进化史。■

施韦策的危险发现

当施韦策看到7000万年前的霸王龙腿骨化石中的软组织时，这位腼腆的古生物学家突然感到过去和现在连到了一起。

两年前，玛丽·施韦策从显微镜中看到了恐龙骨骼化石中不该有的东西:有的像富有弹性的纤维基质，有的像柔软的骨细胞，三维结构完整，还有半透明的血管。在至少三个保存完好的恐龙化石样本中，她都发现了血管、类似细胞的结构和类似骨胶原质的柔韧物质。

2005年3月25日，《科学》杂志发表了这一发现。过去公认的是，化石中的有机分子超过10万年就不可能保存下来，软组织最多保存数万年。如果生物组织能熬过化石过程，“化石将能讲述灭绝动物更丰富的生命细节，超出我们的期望。”休斯顿自然科学博物馆古生物学主任罗伯特·巴克说。

施韦策5岁时，哥哥给了她一本描写恐龙与鸟类亲缘关系的幻想小说《巨蛋》，使她成了恐龙迷。成年后施韦策的兴趣转移了，她的本科学位是治疗交际障碍。1989年，施韦策一边抚养3个孩子一边代课，渐渐重新燃起对恐龙的兴趣。她开始在蒙大拿州立大学旁听著名恐龙专家杰克·霍纳的脊椎古生物学课程。霍纳之所以收下她，理由是:“科学家的思维会越来越相似，而她的思维方式不同。”

凭着多元的视角，初涉古生物学的施韦策就没有将恐龙遗骸当作石块。刚接触从地狱溪发掘的霸王龙化石，她就清楚地闻到一种有机气味。霍纳听后说:“哦，是的，地狱溪来的所有骨头都有味。”

90年代初，还在学习的施韦策第一次意识到化石的生命痕迹。一位同事将一块霸王龙切片给一位病理学家看，后者在显微镜下观察后说:“你知道这块骨头上有红血球吗？”施韦策回忆说:“我起了一身鸡皮疙瘩，因为人人都知道这种东西不可能保存6500万年。”

施韦策把切片拿给霍纳，老师说:“给我证明它们不是红血球。”这成了施韦策的博士课题。她首先排除了污染和矿物质的可能，然后采用了从化学分析到免疫学等一大堆技术来分析这些细胞。一个同事甚至将恐龙化石提取物注射到小鼠体内，结果小鼠产生了抗体，同注射火鸡和兔子血色素时的反应相同。所有的数据都表明:霸王龙化石仍然含有血色素分子的片断。“这些蛋白质最有可能的来源就是曾经活着的恐龙细胞。”施韦策在1997年的一篇论文中写道。

这篇文章发表在《国家科学院学报》上，引发了小小的骚动。分子生物学的例行方法在古生物学可能完全是奇谈，分子古生物学更是闻所未闻。俄亥俄大学解剖学教授劳伦斯·威特默说:“这是两个学科，我没发现有一句相同之处。”幸运的是，霍纳认为施韦策的研究严谨可信。

施韦策继续寻找保存得比理论预计更长的生命组织，首先从阿根廷内乌肯一个垃圾堆找到的鸟蛋上取得发现:这些7000万年前的蛋还含有晶胚，完整地保留了胶原质。这种很难被人相信的寻找，施韦策坚持了8年。直到2000年霍纳在荒无人烟的地狱溪开始恐龙普查。

地狱溪深藏在蒙大拿东北角，是恐龙主宰过的最后几个地方之一。一天，野外考察组长鲍勃·哈蒙突然注意到一只霸王龙的腿骨从头顶一块沙岩断崖中露出来。最后用石膏保护起来的化石重1.4吨，直升机不堪重负，队员们不情愿地拆开石膏模，折断了1米长的大腿骨，掉出的一些碎片也包在铝箔里，运回了北卡罗来纳州立大学。

离婚不久的施韦策那时刚刚开始在这所大学任教。当她打开装着化石的纸板箱时，实验室还堆着自己未拆开的行李。她取出最大的一块，凭着生物学家的眼睛，她立刻发现这不只是一块化石。“天哪！”她对助手珍尼弗·威特迈耶断言道，“这是个雌性，要产卵了。”

施韦策看到的是髓骨，一种产卵期间在雌性鸟类长骨内生长的组织，可以积累产蛋所需的钙质，产完蛋就会消失。在此之前还没人认出恐龙化石中的这种组织，对性别主要根据体型或头冠大小来猜测。

更大的惊奇来自2004年1月。施韦策正在参加一个聚会，威特迈耶气喘吁吁地跑来说:“你不会相信发生了什么！”威特迈耶刚刚把霸王龙的一块髓骨浸入弱酸中，去掉一些磷酸钙。这是生物实验室常用的方法，用于研究新鲜的骨骼标本，在恐龙实验室却很少采用，因为一般认为恐龙化石都是石头，遇到酸会整个溶解，而且没人相信化石上还会有什么有机物质残留。

这一小块清理干净的大腿骨上果然有东西令威特迈耶大呼小叫:“你一摆动，它居然轻轻晃起来。”既兴奋又迷惑的施韦策对一块恐龙的皮质骨如法炮制，“骨上的矿物质溶解了，留下了清晰的血管”。她将为这项课题准备的另一只恐龙的骨碎片一一处理，结果发现:“的确，血管到处都是。”

不到一个月，施韦策又遇上了第三个惊喜。威特迈耶说:“我想可能一些标本被污染了，因为我看见这些东西到处漂浮，像是虫子。”施韦策赶紧拯救标本。在显微镜下，她却吃惊地看到了完整的骨细胞！

这些发现挑战了动物保存的基本假设，施韦策的研究连同本人都被放到显微镜下审视起来。

保存的奇迹并非没有。2000年夏天在蒙大拿发现的一头7700万年前的短冠龙化石就保留了皮肤、刺冠、肌腱、鳞片和一些内脏，从它的粪化石中，古植物学家已发现了36种花粉。软组织却不一样。“如果软组织能保存6500万年。”霍纳说，“可能还有很多东西因为我们对保存的认识局限而错过了。这为将恐龙的组织与现有动物相比较开辟了可能，还可以研究史前的疾病。既然化石中能找到血管，也就可能发现内脏中的线虫或蛔虫。”巴克说:“我敢打赌，很快人们就会发现白垩纪寄生虫。研究流行病学和病理学的可能性令人振奋。”

不相信的也大有人在。圣地亚哥的斯克里普斯海洋学研究所的有机地球化学家杰弗里·巴达坚持:施韦策发现的细胞物质一定是从外界沾染的。即使霸王龙死在比地狱溪还要干冷的气候中，“骨骼也会疯狂地从环境中吸收铀和钍，内部剂量会消灭生物分子”。还有人说:“我并不在意这些数据说明什么，因为我知道你发现的是不可能的。”也有人质疑研究的彻底性。加拿大的亨德里克·波依纳表示:施韦策未能证明她发现的弹性组织真的是由最初的恐龙身上的分子组成的。波依纳还列出了一长串应该完成的测试。施韦策承认，尽快发表论文有得到经费的需要，目前她正在进行波依纳建议的测试。

更有力的检验当然是发现更多的证据，可是兴起这股热潮并不容易，在分子生物学和古生物学都有造诣的人本来就不多，更不用说有这样的激情。但还是有人行动，霍纳开始对其他恐龙骨骼进行脱钙处理，都柏林大学学院的帕特里克·奥尔正在1000万年历史的蛙类化石上寻找软组织，芝加哥大学正在为此建立实验室。巴克也在忙碌。“我还没发现什么。”他说，“但如果不久有人拿到更有弹性的东西，一点也不奇怪。”

在彻底回答“这些软组织究竟是什么，为什么能保存这么久”的问题之前，施韦策必须先面对外界一个急不可耐的问题:能否从这些组织中提取恐龙的DNA？报纸的标题激动人心——这种凶猛的食肉动物重回地球又近了一步。甚至美国国家科学基金会也早有心理暗示，多年前当它请霍纳研究霸王龙血细胞时，就曾有意将消息在《侏罗纪公园》上映时宣布。

施韦策却对恐龙公园的想法付之一笑，说:如果有人找到了恐龙DNA，也只是片断。就算有人复制一个完整的恐龙基因组，她也怀疑哪种现代动物有可以培养恐龙胚胎的卵子。即使这一步也实现了，一只可存活的恐龙也活不过2006年，因为“迄今所知，它们的肺组织的功能，血色素的活动都是为与今天大相径庭的大气而生的”。■

霸王龙的生物力学

50年前雷·布拉德伯里在一篇科幻小说中想象:霸王龙能“在6秒钟内跑过100码”，相当于55公里/小时。《侏罗纪公园》里的霸王龙几乎赶上了开到4挡的吉普车。伦敦大学的约翰·哈金森研究认为:陆地动物的速度取决于腿部肌肉的多少，但肌肉多到一定程度，自重就会抵消其发出的力量。要跑到时速72公里，霸王龙的腿部肌肉要占体重的86%，即使只占41%，在解剖学上也是不可能的。《侏罗纪公园》的制片人承认:考虑到模型的庞大和可能的步幅，它的腿得像卡通片里的动物一样飞转才行，实际上片中恐龙的速度只略超过24公里。哈金森计算出霸王龙可能的最大时速也是16公里，最多不过40公里。

不过速度决定不了另一个重大争论:霸王龙是食物链顶端的王者？还是食腐动物？因为当时的猎物跑得更慢，食腐更与速度无关。佛罗里达州立大学的格里高利·埃里克森根据骨骼中的生长年轮计算了霸王龙的生长速度——青春期平均一天长2.3公斤肉。“哪来那么多尸体？”美国自然博物馆的诺雷尔说。霸王龙应该是饥不择食的。

俄勒冈大学的计算机专家肯特·史蒂芬用三维软件进行的生物力学研究也有有趣发现。过去一直以为迷惑龙和梁龙等庞然大物都以树梢嫩叶为生，它们总是被描述为四脚站立，头高高扬起。计算机骨骼模型显示，迷惑龙的椎骨根本不像为这样活动而生，相反，它们的自然位置与地面几乎平行甚至更低，应该喜食低矮灌木或水生植物。这看上去不够威风，但博物馆馆长们还是不得不重新组装标本，只有从1932年就开始用迷惑龙作标志的Sinclair石油公司打算不予理会。■ DNA想象远古