我:恐龙扛狼 科学家:?

View :699

图源:pixabay.com

有的人听《恐龙扛狼》,会变身复读机;而科学家听了,只会告诉你:恐龙生活在侏罗纪和白垩纪,而狼是新世纪中期才出现的,因此,恐龙不可能 “扛狼”。

但关于恐龙,还有很多比 “扛狼” 更有趣、更浪漫的研究。

科学家:我在实验室研究恐龙

1994年,有研究者在Science上发表了一篇文章,声称从一块恐龙骨头碎片中提取出了恐龙的DNA [1]

1994年发表的关于恐龙DNA的论文 图源:science.org


一文激起千层浪,文章发表后,受到了学界的许多质疑,被指出研究中存在许多缺陷。不仅如此,许多早期的类似论文因此被重新审查,发现很多存在分析和解释方面的问题,或是无法重复。最终,科学界很长一段时间内对有关数十万年以上DNA的研究非常谨慎,几乎不接受类似的研究。[2-3]

相比DNA,蛋白质是在物理环境条件下高度稳定的分子,可长期保存。近几十年来,基于质谱分析的蛋白质组学技术给古生物学与考古学打开了一扇新的大门。蛋白质组学通过鉴定肽段的氨基酸序列,可以提供分类学、种属和性质等方面的生物信息。[4]

例如,有研究者从8000万年前的软体动物壳中分离出了糖蛋白,通过电泳分离后,鉴定出了当代软体动物壳中蛋白质共有的特定重复氨基酸序列;还有研究者从更新世到白垩纪时期的牡蛎壳中分离出的蛋白质残基中发现了与现存牡蛎含量相当的氨基酸。[5]

在古人类研究中,科学家们常用到在遗址中保存较好得到牙釉质。从牙釉质上提取的蛋白质组,可以用于古人类性别及种属鉴定、系统发育和古病理研究等。[6]

2007年,美国古生物学家美国古生物学家 Mary Schweitzer 等人利用质谱法成功测定了乳齿象和霸王龙的蛋白质序列,引起了学界的极大关注[7]。但很快有学者指出,该研究存在蛋白质片段标记数据缺失等问题 [8]。随后,有独立的研究小组对相关质谱数据进行再分析后,支持了研究最初的结论,即恐龙的蛋白质真的能够在时间的侵袭下保存至今。[9]

2007年发表的“质谱法揭示乳齿象和霸王龙蛋白质序列”论文 图源:science.org

 

现有理论和实验表明,所有蛋白质和DNA分子将在100万年内完全降解;也有一些动力学研究表示,理论上某些蛋白质也可能会持续存在。

因此,当 Schweitzer 和同事们从6500万年和8000万年前的恐龙化石中分离出完整的蛋白质片段后,立即遭到了生物化学家和古生物学家的强烈质疑,他们认为脆弱的有机分子不可能存活数千万年,并怀疑她的样本可能受到现代蛋白质的污染。[10]

实际上,现有的蛋白质组学技术在恐龙研究上确实存在着巨大的挑战。例如,从几克恐龙骨头中可能只能获得飞摩尔水平的蛋白质,这样极其微量的蛋白质必须经过浓缩才能进行下一步的蛋白质组学研究,但用于蛋白质材料浓度增加或纯化的方法不仅困难,而且可能会导致蛋白质的损失。[5]

多年来,Schweitzer一直执着于追寻恐龙的蛋白质,她和团队的研究包括中生代恐龙和其他中生代化石的古蛋白质组学、恐龙的生物分子特征和蛋白质序列等,在古生物学领域留上了浓墨重彩的一笔。而她最初的研究,也确实打开了恐龙蛋白质组学的大门。

如今,恐龙蛋白质组学的研究阵营逐渐壮大。有学者表示,虽然一些人对Schweitzer团队的数据持怀疑态度,但相信随着更多样本和更多蛋白质组分析的开展,未来的工作一定能使我们看到更久远的过去,为古生物学知识体系添砖加瓦。[11]

化石是埋在地下的星星,和宇宙的星系一样熠熠闪光。而蛋白质组学,就像一架崭新的天文望远镜,借此,我们得以窥见上亿年前地球霸主的嘶吼和低鸣。

恐龙头骨化石 图源:pixabay.com

神奇的古蛋白质组学

学界对古蛋白质的研究与探索,可以追溯到20世纪50年代。但直到20世纪70年代,研究人员才首次尝试从浮游有孔虫化石中获取其古蛋白序列信息(不过该实验结果一直被质疑可能受外源性污染影响)。

在此之后的很长一段时间内,受限于分析技术,古蛋白质序列分析研究一直停滞不前。直到本世纪初,随着质谱技术的迅猛发展,才使得化石中非常稀少的古蛋白质的序列的解析有了突破性进展。也就是在这个时候,古蛋白质组学(Paleoproteomics)这一新兴研究方向正式诞生。

古蛋白质组学在古生物学与动物考古学中有着广泛的应用,包括属种鉴定、系统发育研究、古生态学重建、古生理学探索等。动物考古质谱分析(ZooMS)法、鸟枪法、自上而下(top-down)的蛋白质测序方法,是古蛋白质组学研究中常用的三种质谱法。[12]

ZooMS 流程示意图 图源[12]

 

如今,古蛋白质组学研究已经从早期的探索阶段逐渐转向标准化技术流程的构建。未来,古蛋白质组学既需要局部技术的优化(如样本提取技术),也需要研究范围的拓展(如从新生代的哺乳动物拓展至更久远的化石材料)。

现在,应该有不少科学家,一边听着《恐龙扛狼》,(一边当复读机,)一边发着paper。

如果现在有一截恐龙化石,科学家会如何开展蛋白质组学的研究?西湖大学大数据实验室的博后丁璇回答了这个问题:

“(样本)拿来就能做,用PCT技术就能实现微量样本和难提取样本的蛋白提取,我们在这方面很有经验。提取化石的蛋白组信息后,可以进行很多有趣的分析,譬如说恐龙与哪些现有物种的match度最高、是否与现代物种存在亲缘亲属关系等。上亿年的样本固然有相当的挑战,但是依靠现有的技术我们也还是可以进行很多分析……”

PCT(压力循环技术)的微量样本提取过程 图源:西湖欧米官网

好了,现在设备有了,技术有了,思路有了,bgm也有了,请问恐龙化石在哪领?

参考文献(上下滑动可浏览):

1.Scott R. Woodward et al. ,DNA Sequence from Cretaceous Period Bone Fragments.Science266,1229-1232(1994).DOI:10.1126/science.7973705

2.https://www.science.org/doi/pdf/10.1126/science.7761839

3.Austin, J J et al. “Problems of reproducibility--does geologically ancient DNA survive in amber-preserved insects?.” Proceedings. Biological sciences vol. 264,1381 (1997): 467-74. doi:10.1098/rspb.1997.0067

4.http://www.ivpp.cas.cn/xshd/201811/t20181103_5154970.html

5.Smejkal, Gary B, and Mary H Schweitzer. “Will current technologies enable dinosaur proteomics?.” Expert review of proteomics vol. 4,6 (2007): 695-9. doi:10.1586/14789450.4.6.695

6.http://www.ivpp.cas.cn/kxcb/kpdt/202008/t20200826_5676833.html

7.Asara, John M et al. “Protein sequences from mastodon and Tyrannosaurus rex revealed by mass spectrometry.” Science (New York, N.Y.) vol. 316,5822 (2007): 280-5. doi:10.1126/science.1137614

8.Buckley, Mike et al. “Comment on "Protein sequences from mastodon and Tyrannosaurus rex revealed by mass spectrometry".” Science (New York, N.Y.) vol. 319,5859 (2008): 33; author reply 33. doi:10.1126/science.1147046

9.http://www.chinanews.com.cn/cul/news/2009/08-04/1803302.shtml

10.https://www.science.org/content/article/scientists-retrieve-80-million-year-old-dinosaur-protein-milestone-paper

11.https://www.promegaconnections.com/the-rise-of-dinosaur-proteomics/

12.李鑫,泮燕红.以胶原蛋白为例浅述古蛋白质组学研究现状与未来[J/OL].古生物学报:1-11[2023-07-19].https://doi.org/10.19800/j.cnki.aps.2021065.

问询(英文)
Online enquiries

公众号