2023《PNAS》|雙團(tuán)簇同位素測(cè)溫法揭示傷齒龍：手盜龍類獸腳類恐龍的體溫及蛋殼礦化的過程

一、背景導(dǎo)讀

????????非鳥恐龍到鳥類的演化過程是生物進(jìn)化史上最引人入勝的片段之一，自德國索倫霍芬的始祖鳥、中國遼西地區(qū)熱河、燕遼生物群的大量帶羽毛恐龍和古鳥類化石發(fā)現(xiàn)以來，人們現(xiàn)已對(duì)“從龍到鳥”的骨骼形態(tài)變化有了十分系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，比較解剖學(xué)所提供的相關(guān)證據(jù)無不在確證或強(qiáng)化“鳥類起源于獸腳類恐龍”的演化學(xué)說。隨著研究的深入推進(jìn)，古生物學(xué)家們對(duì)“從龍到鳥”演化歷程的研究也逐漸“由外到內(nèi)”，其中非鳥恐龍和現(xiàn)生鳥類在生殖系統(tǒng)、體溫代謝、產(chǎn)卵筑巢等方面的共性與差異便是討論的熱點(diǎn)之一。盡管現(xiàn)有的化石證據(jù)讓我們已經(jīng)知道所有恐龍是卵生動(dòng)物；部分恐龍長有羽毛且基礎(chǔ)代謝率較高；部分恐龍存在孵卵育雛行為，但若要對(duì)這些常識(shí)背后的科學(xué)信息進(jìn)行更為精確的量化描述，現(xiàn)有的認(rèn)知依然有限，有賴于新研究方法的應(yīng)用。

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? ? ? ? 在這篇2023年發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）的論文中，研究人員以加拿大阿爾伯塔省南部老人組（Oldman Formation）上層（上坎帕階，~76.8-74.3 Ma）的傷齒龍蛋化石為材料，運(yùn)用雙團(tuán)簇同位素測(cè)溫法（Dual clumped isotope thermometry,?Δ47和Δ48）對(duì)傷齒龍的體溫進(jìn)行了測(cè)算，并通過與現(xiàn)生鱷類、龜類和鳥類進(jìn)行比較，揭示了傷齒龍蛋殼形成的礦化機(jī)制和這類恐龍可能的筑巢方式。由于傷齒龍（Troodon）屬于真手盜龍類（Eumaniraptora），該類群的系統(tǒng)發(fā)育位置與鳥類十分接近，因而這項(xiàng)新研究所發(fā)現(xiàn)的信息有助于人們更好地了解非鳥恐龍-鳥類演化過程中在熱生理和繁殖方面所經(jīng)歷的關(guān)鍵變化。

二、研究方法介紹

????????在介紹這項(xiàng)新研究的結(jié)論之前，我們需要了解科學(xué)家是如何在無法穿越時(shí)空的條件下獲知遠(yuǎn)古時(shí)期溫度高低的。用于測(cè)定古環(huán)境的溫度計(jì)并非人們?nèi)粘Ｉ钪惺熘膶?shí)體溫度計(jì)，而是一種地球化學(xué)的研究方法。該方法的研究對(duì)象是同位素。一種元素的同位素在物理、化學(xué)、生物等反應(yīng)過程中以不同比例分配于不同物質(zhì)之中的現(xiàn)象稱為同位素分餾。通過建立同位素與溫度之間的關(guān)系，科學(xué)家便有望利用巖石中的同位素含量信息去推斷古環(huán)境的溫度，其中氧18同位素是最常用的“地質(zhì)溫度計(jì)”之一。盡管氧18同位素在恢復(fù)古環(huán)境溫度方面卓有成效，但在古動(dòng)物體溫的重建方面卻存在先天的不足。以主要在陸地是生活的恐龍為例，恐龍身體里的氧18同位素來源過于復(fù)雜并具有很強(qiáng)的環(huán)境依賴性，海拔、植被、距離海洋遠(yuǎn)近等因素都能影響氧18同位素的含量。由于影響氧同位素比例和分布的因素過多，因而依靠氧同位素溫度計(jì)還原古動(dòng)物體溫的結(jié)果過于寬泛模糊，存在諸多不確定性，很難等價(jià)于古動(dòng)物自身的體溫。

????????不過Δ47碳氧同位素團(tuán)簇溫度計(jì)技術(shù)的發(fā)展為克服上述困難提供了新的問題解決方案。團(tuán)簇同位素是指同位素體（isotopologue）中兩個(gè)或兩個(gè)以上的原子被其相應(yīng)的重同位素所取代形成的同位素體。Δ47是碳酸鹽團(tuán)簇同位素。碳酸根的團(tuán)簇同位素?zé)o法直接通過測(cè)試獲得，但基于碳酸根酸解過程中產(chǎn)生的CO2與礦物碳酸根中的含量成正比，通過添加校正系數(shù)的方式，可運(yùn)用酸解產(chǎn)生的質(zhì)量數(shù)為47的CO2同位素體的豐度來代表碳酸鹽團(tuán)簇同位素Δ47。對(duì)于CO2而言，其重同位素有三種，分別是碳13、氧17和氧18，任意兩種重同位素通過質(zhì)量分餾取代組成的二氧化碳同位素體即為CO2的團(tuán)簇同位素，如圖2-1所示。

? ? ????碳酸鹽團(tuán)簇同位素溫度計(jì)正是基于質(zhì)量數(shù)為47的CO2同位素體與其“隨機(jī)分布”狀態(tài)下的豐度千分差值（Δ47）與溫度的熱動(dòng)力學(xué)關(guān)系建立的。由于含碳13-氧18鍵的團(tuán)簇同位素體（約45 ppm）占所有質(zhì)量數(shù)為47的CO2團(tuán)簇同位素體的豐度接近97%，且儀器的測(cè)試精度存在限制，故所有質(zhì)量數(shù)為47的CO2豐度可近似代表含碳13-氧18鍵的CO2團(tuán)簇同位素體豐度。正因如此，Δ47碳氧同位素團(tuán)簇溫度計(jì)可以反映碳氧化學(xué)鍵生成時(shí)的周圍溫度，從而能更加準(zhǔn)確地測(cè)算礦物形成時(shí)四周“小區(qū)域”的溫度，顯著減少了大環(huán)境中復(fù)雜因素的影響。利用該方法去分析化石材料，有望獲知?jiǎng)游锏摹皟?nèi)環(huán)境”溫度。

? ? ????有了能夠測(cè)定古動(dòng)物體內(nèi)的方法，下一步的關(guān)鍵就是如何選取化石材料進(jìn)行研究了。起初在2011年，科學(xué)家選擇了恐龍牙齒化石的牙釉質(zhì)進(jìn)行研究，通過牙齒化石中的Δ47來推斷恐龍?bào)w溫。該方法在恐龍化石中的應(yīng)用在當(dāng)時(shí)是開創(chuàng)性的，但得出的結(jié)論卻也遭到了一些質(zhì)疑。考慮到大體型動(dòng)物的的體溫并非均勻分布，可能僅在軀干的核心位置溫度更為恒定，而口腔中的牙齒并非位于恐龍身體軀干的核心位置，因此通過牙齒化石測(cè)得的溫度更可能反映的是恐龍的口溫，但仍然不能代表恐龍的精確體溫。要想獲取更為真實(shí)的恐龍?bào)w溫?cái)?shù)據(jù)，就越需要離恐龍?bào)w腔核心位置更近的材料?？上У氖?，恐龍留給世人的遺骸只有它們的骨骼，體腔中的內(nèi)臟軟組織無法以化石的形式保存至今。在血肉無法保存為化石的情況下，測(cè)算恐龍的真實(shí)體溫看似再次遇到了瓶頸，那還有什么材料既能夠以化石形式保存，最初還停留在恐龍?bào)w內(nèi)呢？答案也并不難猜，那便是恐龍蛋。恐龍蛋的蛋殼同樣由碳酸鈣構(gòu)成，蛋殼中的碳酸鈣是在子宮附近形成并沉積。由于包括子宮、輸卵管在內(nèi)的雌性生殖器官一般都存在于雌性動(dòng)物體腔內(nèi)最核心的位置，而Δ47碳氧同位素團(tuán)簇溫度計(jì)恰巧又能反映局部溫度，因此測(cè)定恐龍蛋化石中的Δ47自然成為了目前推斷恐龍?bào)w溫的可靠方法。隨著研究由粗糙走向精細(xì)，研究人員在使用Δ47團(tuán)簇溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)算時(shí)，還考慮到恐龍蛋化石成巖重結(jié)晶作用所造成的影響。通過反算消除地質(zhì)作用的影響，讓測(cè)算的溫度結(jié)果與動(dòng)物自身體溫之間的相關(guān)性更強(qiáng)。

????????在這篇《PNAS》論文中，研究人員提出基于Δ47的體溫推斷方法可能還會(huì)受到蛋殼礦化過程中同位素不平衡偏移的影響。隨著儀器測(cè)試精度的提高，CO2團(tuán)簇同位素的測(cè)定也不再局限于Δ47，近年來Δ48的準(zhǔn)確測(cè)定為碳酸鹽團(tuán)簇同位素研究開拓了新的方向。新研究正是在原有研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用雙團(tuán)簇同位素測(cè)溫法對(duì)Δ47和Δ48進(jìn)行測(cè)定。Δ47和Δ48的數(shù)值通過溫度的平衡關(guān)系聯(lián)系在一起，偏離該關(guān)系則反映了同位素的不平衡。由于同位素的不平衡偏移現(xiàn)象與蛋的生物礦化過程存在關(guān)聯(lián)，因而新方法的應(yīng)用使我們不僅可以驗(yàn)證過往研究中基于Δ47所測(cè)算的溫度，還可以更深入地了解生物礦化過程造成的同位素不平衡現(xiàn)象。研究人員將雙團(tuán)簇同位素溫度計(jì)應(yīng)用于傷齒龍蛋化石；現(xiàn)生鱷類、龜類和現(xiàn)生鳥類的卵；人工合成方解石，由此重建了傷齒龍的體溫，并比較了非鳥獸腳類恐龍、爬行動(dòng)物、鳥類蛋殼的礦化過程差異。

????????出于科普需要，本小節(jié)的最后還將對(duì)有關(guān)動(dòng)物體溫的概念進(jìn)行說明。人們熟知的“溫血”與“冷血”并非準(zhǔn)確描述動(dòng)物體溫的規(guī)范用語。要想系統(tǒng)地描述一種動(dòng)物的體溫變化，需要內(nèi)溫（endotherm）與外溫（ectotherm）、恒溫（homeotherm）與變溫/異溫（poikilotherm/heterotherm）四個(gè)維度。但值得注意的是，這兩組名詞之間并不能劃等號(hào)，“內(nèi)溫”與 “恒溫”之間并不存在等價(jià)關(guān)系。雖然這些概念都可用于描述動(dòng)物的體溫調(diào)節(jié)方式，但內(nèi)溫-外溫關(guān)注的是體溫?zé)崃康膩碓?；而恒?/span>-變溫關(guān)注的是體溫本身是否相對(duì)穩(wěn)定。根據(jù)上述四個(gè)維度對(duì)動(dòng)物進(jìn)行分類，見圖2-3，不難看出：人們熟知的大多數(shù)變溫動(dòng)物（體溫隨環(huán)境變化）都是外溫動(dòng)物（主要通過環(huán)境獲得熱量）；大多數(shù)恒溫動(dòng)物（體溫保持恒定）都是內(nèi)溫動(dòng)物（主要通過體內(nèi)代謝獲得熱量）。但也存在變溫+內(nèi)溫這種特殊例外，例如一些大型鯊魚、金槍魚（tuna）和旗魚（billfish）擁有高于其他魚類的代謝產(chǎn)熱，能維持體溫略高于外部環(huán)境溫度，屬于內(nèi)溫性，但體溫并非處在一恒定數(shù)值，同時(shí)表現(xiàn)變溫性。在討論動(dòng)物體溫的特點(diǎn)和調(diào)節(jié)方式之前，讀者需要對(duì)上述科學(xué)名詞的定義建立正確的認(rèn)識(shí)。

三、研究結(jié)果及結(jié)論

? ? ? ??研究人員通過測(cè)定方解石在不同溫度狀態(tài)下的Δ47和Δ48，繪制了圖3-1中的Δ47-Δ48關(guān)系曲線，灰色直線上的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)溫度。將傷齒龍（綠色圖例）、爬行動(dòng)物（藍(lán)色圖例）、現(xiàn)生鳥類（紅色圖例）蛋殼標(biāo)本、人工合成高鎂方解石（黃色圖例）所測(cè)的Δ47和Δ48填入圖中，可獲知相應(yīng)雙團(tuán)簇同位素的分布位置。傷齒龍和爬行動(dòng)物（鱷類、龜類）蛋殼的Δ47-Δ48分布在方解石平衡線附近，而鳥類的蛋殼和合成方解石的Δ47-Δ48分布偏離平衡線。方差分析檢驗(yàn)表明傷齒龍和爬行動(dòng)物共同遵循平衡的Δ47-Δ48模式，而鳥類則表現(xiàn)為非平衡模式。因而爬行動(dòng)物蛋殼的團(tuán)簇同位素組成完全受溫度控制，而鳥類的蛋殼的同位素組成則受到了如限速動(dòng)力學(xué)等不平衡效應(yīng)的控制。

3.1 傷齒龍的體溫重建

????????根據(jù)圖3-1中的結(jié)果，三個(gè)傷齒龍蛋殼材料Δ47測(cè)量值的溫度為42(±2)℃，與現(xiàn)生鳥類的體溫相當(dāng)；而第四個(gè)蛋殼材料顯示的溫度較低，為29(±2)℃。42℃的體溫表明傷齒龍具有較高的代謝率。高代謝率和內(nèi)溫性能夠支持幼年傷齒龍常年生活在環(huán)境溫度較低的高緯度地區(qū)（80-85°N）；較高的體溫則表明傷齒龍可能具備利用自身體溫孵卵的能力，符合過去對(duì)于傷齒龍育雛行為的假設(shè)。盡管29℃明顯低于傷齒龍?bào)w溫測(cè)定值的集中分布區(qū)域，但該溫度依然處在目前有關(guān)研究測(cè)定的結(jié)果范圍內(nèi)，顯示傷齒龍可能是一種異溫動(dòng)物，具備自主調(diào)節(jié)體溫的能力。

????????異溫的本質(zhì)是一種允許動(dòng)物根據(jù)特定需要或環(huán)境反饋而改變體溫的策略。異溫性普遍存在于現(xiàn)生動(dòng)物中。內(nèi)溫動(dòng)物通過降低代謝率，最大限度地減少能量消耗，使個(gè)體進(jìn)入低耗能的“遲鈍”模式（torpor），并伴隨體溫的下降。進(jìn)入“遲鈍”模式的前提條件是體溫至少下降5℃，但實(shí)際在動(dòng)物中的體溫波動(dòng)可高達(dá)9±3℃。根據(jù)恐龍蛋化石測(cè)定的傷齒龍?bào)w溫也恰巧處在這一波動(dòng)范圍內(nèi)，表明傷齒龍是一種異溫內(nèi)溫型（heterothermic endotherm）動(dòng)物。為了在低溫環(huán)境中生活，同時(shí)應(yīng)對(duì)食物資源短缺等生存挑戰(zhàn)，傷齒龍可以通過降低體溫的方式使自身進(jìn)入“遲鈍”模式?？紤]異溫內(nèi)溫在系統(tǒng)發(fā)育中普遍存在，這種體溫控制調(diào)節(jié)模式也被認(rèn)為是所有現(xiàn)生鳥類的祖征之一，并首先在近鳥類非鳥獸腳類恐龍中演化出現(xiàn)。

3.2 鳥類蛋殼中Δ47-Δ48不平衡現(xiàn)象所揭示的蛋殼礦化機(jī)制

????????圖3-3顯示了現(xiàn)生鳥類、鱷類、龜類中蛋殼Δ47和Δ48的不平衡分布程度，其中鳥類的蛋殼存在明顯的Δ48正偏移。通常，當(dāng)碳酸鹽的沉淀速率超過溶解的無機(jī)碳、水和方解石之間的的同位素平衡速率時(shí)，沉淀的方解石中便會(huì)出現(xiàn)同位素不平衡的現(xiàn)象。這一過程是通過無定形碳酸鈣（amorphous calcium carbonate, ACC）參與實(shí)現(xiàn)的，這是因?yàn)?/span>ACC能夠加快成核速度。鳥類蛋殼中的特異性同位素不平衡特征表明快速生長的ACC參與了鳥類蛋殼的礦化過程。而鱷類、龜類等爬行動(dòng)物的蛋殼礦化速度比鳥類慢得多，效率也要低得多，目前也尚無ACC參與蛋殼礦化過程的報(bào)道，因而在現(xiàn)生爬行動(dòng)物的蛋殼中并沒有觀察到明顯的Δ47和Δ48不平衡分布。

3.3 非鳥恐龍-鳥類生殖系統(tǒng)的過渡變化

????????現(xiàn)生鳥類僅保留了一個(gè)功能性卵巢。單側(cè)卵巢的退化被廣泛解釋為鳥類為了更加高效飛行而減輕體重的策略。相較于非鳥獸腳類恐龍，僅擁有一個(gè)卵巢的鳥類需要更多的時(shí)間產(chǎn)下和獸腳類恐龍相同數(shù)量的卵。為維持繁殖的成功率，鳥類采用ACC參與的蛋殼礦化機(jī)制能夠更加快速地產(chǎn)生方解石，并增加蛋殼的整體礦化率，以此平衡卵巢損失所帶來的局限。

????????截止目前，古生物學(xué)家尚未發(fā)現(xiàn)獸腳類恐龍生殖系統(tǒng)軟組織的可靠化石證據(jù)。但這項(xiàng)研究對(duì)于傷齒龍蛋殼的分析顯示其不具備現(xiàn)生鳥類蛋殼中的同位素不平衡分布特征。傷齒龍蛋殼的平衡同位素組成表明其中并不存在ACC參與的礦化作用，與現(xiàn)生爬行動(dòng)物蛋殼的礦化機(jī)制更為近似。因而傷齒龍可能近似于現(xiàn)生的鱷類，同樣擁有兩個(gè)功能性卵巢；單側(cè)卵巢的退化消失最初發(fā)生在鳥類譜系，而非在獸腳類恐龍中。

3.4 礦化效率與Δ48不平衡分布之間的關(guān)系

????????礦化效率=動(dòng)物每窩卵所含的方解石質(zhì)量/動(dòng)物的體重。研究人員根據(jù)不同傷齒龍蛋窩中的恐龍蛋化石測(cè)算了傷齒龍蛋的礦化效率，并與鱷類、龜類、鳥類蛋殼的礦化效率進(jìn)行比較，同時(shí)繪制了蛋殼礦化效率和Δ48不平衡分布程度之間的關(guān)系圖，如圖3-4所示。其中，鱷類、龜類等爬行動(dòng)物蛋殼的礦化效率極低（<0.006），且不存在Δ48不平衡分布的現(xiàn)象；而鳥類的蛋殼擁有更高的礦化效率（>0.008），Δ48不平衡分布程度顯著。由于傷齒龍蛋殼的Δ48不平衡分布程度很低，根據(jù)不同蛋窩（clutch）所測(cè)定的礦化效率結(jié)果，可知傷齒龍蛋殼的礦化效率可能與現(xiàn)生爬行動(dòng)物近似，但低于現(xiàn)生鳥類。過往研究表明，每枚傷齒龍蛋所含的方解石質(zhì)量約為50~60 g，根據(jù)該結(jié)果估算每只傷齒龍平均可產(chǎn)下4-6枚蛋。在已發(fā)現(xiàn)的傷齒龍巢穴（nest）中，巢穴最多容納了24枚恐龍蛋，這表明傷齒龍可能會(huì)類似現(xiàn)生鴕鳥那樣共享巢穴，4-6只雌性傷齒龍會(huì)在同一巢穴中輪流產(chǎn)卵孵蛋。

四、總結(jié)點(diǎn)評(píng)

????????盡管同位素測(cè)溫法已被多次用于恐龍?bào)w溫的估測(cè)，但儀器的進(jìn)步發(fā)展使這項(xiàng)新研究能夠運(yùn)用更為進(jìn)階的雙團(tuán)簇同位素法對(duì)已有問題進(jìn)行更為深入的探索。本研究將目標(biāo)聚焦于近鳥類中的傷齒龍，在驗(yàn)證過往研究測(cè)算傷齒龍?bào)w溫結(jié)果的同時(shí)，分析了非鳥恐龍、現(xiàn)生爬行動(dòng)物、現(xiàn)生鳥類蛋殼在礦化機(jī)制和效率上的差異。本研究重點(diǎn)討論了非鳥恐龍向鳥類演化過程中在熱生理和生殖系統(tǒng)方面的變化，這有助于我們更加深刻地認(rèn)識(shí)“恐龍?bào)w溫有多高？”、“恐龍是溫血還是冷血?jiǎng)游铮俊?、“恐龍?huì)孵蛋育雛嗎？”等恐龍古生物學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)的經(jīng)典問題。此外，對(duì)于不從事古生物學(xué)研究的普通人而言，這項(xiàng)研究告訴我們，了解恐龍的生物學(xué)特征和行為不僅僅只依賴骨骼化石，恐龍蛋中往往蘊(yùn)藏著更為豐富且專一的遠(yuǎn)古信息等待人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)破解。

參考資料：

1. 知乎專欄文章——如何給恐龍測(cè)體溫？

（https://zhuanlan.zhihu.com/p/108372840）

2. 知乎專欄文章——藏在耳朵里的秘密：內(nèi)溫性的起源

（https://zhuanlan.zhihu.com/p/552284904）

3.《沉積學(xué)報(bào)》——沉積數(shù)據(jù) 碳酸鹽團(tuán)簇同位素：不僅僅是“地質(zhì)溫度計(jì)”（http://www.cjxb.ac.cn/news/cjzs/017c6c72-e426-4e9a-8d9c-53535cf1022a.htm）

同位素測(cè)溫法在恐龍蛋化石中的應(yīng)用研究：

[1] Evidence for heterothermic endothermy and reptile-like eggshell mineralization in Troodon, a non-avian maniraptoran theropod, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2023, 120(15): e2213987120.

[2] Eggshell geochemistry reveals ancestral metabolic thermoregulation in Dinosauria, Science Advances, 2020, 6(7): eaax9361.

[3] Isotopic ordering in eggshells reflects body temperatures and suggests differing thermophysiology in two Cretaceous dinosaurs, Nature Communications, 2015, 6(1): 8296.

[4] Dinosaur Body Temperatures Determined from Isotopic (C-13-O-18) Ordering in Fossil Biominerals, Science, 2011, 333(6041): 443-445.