古生物学硕士毕业论文

黄大一

吉林大学客座教授、唐敖庆讲座教授、博士生导师，国际知名的古生物学者和“恐龙胚胎学”的创始人之一。

首先应该明确的是： 化石里外保存着有机残留物，应该是个普遍现象，并非特例，化石不一定是完全无机的硬石头！只要有正确的思路，使用正确精密的仪器设备，应该都可找到或多或少的有机残留物！

早期的大洼恐龙骨头化石横切面切片，脉管渠道明显可见

在探讨化石里面保存的有机残留物之前，首先应该先考虑一下古代生物体内的化学组成，亦即从生物化学的角度来探讨，这么多不同种类的生物体，到底有哪些主要分类的生物有机物？请注意，在此用的字眼是 “主要分类”，而非某特定细分的“生物化合物” ，能够做到主要的分类，已经很困难了，要求做到特定细分生物化合物，会不会是过分要求呢？

从大约三十八亿年前地球最早的生命体来说，单细胞双细胞藻类生物体，组成的生物化学成分是什么？到了大约二十亿年前古元古代，可能出现的多细胞生物，又是什么有机物质？这么长久可能保存下来吗？或只是铸模 (cast)呢？到了大约六亿年以后的埃迪卡拉纪生物，全球有二三十处出土了上百个不同埃迪卡拉纪生物的铸模，也从这些铸模化石，确定了埃迪卡拉纪地质年代，但是只有云南中部一处出土了实体化石，因此显得特别珍贵，让科学家们有机会探讨其内外部的形态与结构，还可试着“看进骨头内”探讨这些软组织的生理形态；接着到寒武纪，海洋里面出现了有硬壳的贝壳、有外骨骼的三叶虫等等，还保存了很多原本都是软组织的奇形怪状生物，如怪诞虫 (Hallucigenia)，生命的演化开始大幅度的发展，意味着诸多无法计数的生物化学成分出现了，海胆珊瑚甚至有脊椎骨的鱼类，也陆续登上生命的舞台，相对于全身都是软绵绵的生物，这些硬组织，保存成为化石的机会更多，海洋的植物登陆，有些动物也随之登陆，占领了陆地等等，如此的生命演化，也意味着生物体内的生物化学成分的多样性随之增加； 古代生物即便本体已经分解，但是在围岩内还保存着当年细胞的分解物，称之为“生物标志 (biomarkers)”、“化学化石(chemical fossils)”或“分子化石 (molecular fossils)”，用以鉴定远古生物。

我们无法很细很精确地求证每一种生物体的各种有机化学成分， 只能以相对粗略的方式来分类 ，如本章所笼统归类的：胶膜/角质 (cutan/cutin)、碳氢化合物 (hydrocarbons)、色素 (pigments)、脂肪酸酯 (fatty acids and esters)、聚糖与几丁质 (polysaccharides and chitin)、分子化石 (molecular fossil)和蛋白质类 (proteins) ；如果要追究到很细的分子（与构造）层次，举个例子来说，就可知其难：我的硕士论文做青苔的成分分析，因为指导教授说，美国俄勒冈州的印第安人用这种青苔治癌症，所以想找出其内治癌的有效成分，进一步分析鉴定其化学式，我和另外一位研究生跑到森林里采集半天，好不容易采集到够做萃取分析用的量，接着照该做的手段萃取分离等等，结果让我吓一大跳，在这么低等的生物体内，光是倍半萜（sesquiterpene）就有八十多种不同的化学成分（化合物）。较高等的生物，不管是动物或植物体内所含的有机化合物种类数之多，天文数字简直不能想象啊！

有机残留物分类

胶膜/角质；

碳氢化合物；

色素；

脂肪酸酯；

聚糖与几丁质；

分子化石；

蛋白质分类；

生物性功能；

溶解度；

化学组成；

形态；

球状蛋白；

丝蛋白；

角蛋白；

弹性蛋白；

纤维蛋白；

第一类胶原蛋白。

这是一个简单的化石或围岩中有机残留物分类，此中不含蛋白质分类中“蛋白质分类/形态/纤维蛋白/第一类胶原蛋白”的其他种类蛋白质。这些不同分类的化学成分，都有文献指出存在于化石或围岩中，当然还有可能其他的有机残留物有待被发现。毕竟化学品的种类与数量太庞大，有太多的可能性了。

所以，从无数古生物体内不同成分数量来说，我们该有心理准备，我们所面临的是个非常复杂的“硬饼干 (tough cookie)”，而且往往混杂在一起，绝非化学实验室内某纯度高达百分之九十九点九九九九的某试剂。接着，孙悟空头上还有一道紧箍咒，相对于研究现生生物的化学成分，我们还必须面对着这些数量难以计数生物化学物质在石化过程中的变化，从活着时候相对来说比较软的古代生物体，变化到硬邦邦的化石，这里面起了什么变化？ 化石的“化”和化学的“化” ，在此成为一体了，原本的物质有所变化！这也是本书一再强调： 古生物化学才是古生物学之本的重要原因，我们不能只停留在传统古生物学探讨变化之后的形态而已，更该追溯其源，探讨到底“骨头”里面是怎么“（变）化”的 。

利用中子扫描，看到南非大椎龙胚胎围岩内，似乎还保存着大椎龙蛋壳和很可能是蛋窝内植物树叶的有机残留物

古生物化学有机残留物研究三步骤

第一步：有没有有机残留物？

第二步：保存了什么？

第三步：保存机制？

想想，某个生物体死亡之后，如果暴露在空气中，通常被各种天候和细菌相对快速分解掉，软组织先被消化，接着硬组织（骨头牙齿）也受不了各种天候和细菌的里外夹攻，都成灰飞烟灭，没有机会变成化石。当然这种情况有例外，如美国蒙大拿那边，曾因为火山爆发毒气杀死了几十万头群居的鸭嘴龙，尸体暴露在空气中腐烂，剩下硬骨头，不知多久之后，硬骨头还没消失之前，山上的天然水库崩解，大量的土石流倾高而下，把这些骨头冲刷到较低处并且埋藏成为化石骨床 (bone bed)，在大约二英里长一英里（米）宽的范围内，同样方向排列着数不清的鸭嘴龙大骨头，小骨头老早被冲远了或者被土石流磨碎烂了。从大骨头表面的龟裂得知，它们在形成化石之前，曾经被太阳烤到骨头表层龟裂，然后才被埋藏变成化石的。

大部分的化石形成，需要快速掩埋，隔绝空气中的氧气，由厌氧细菌分解躯体内的软组织，不同地层里有各种不同的细菌，它们扮演着重要的消化清道夫角色；地下水中的矿物质则取代置换硬组织内的某些元素，骨头和牙齿内的磷灰石群，也从准稳定 (metastable)生物性磷灰石 (biogenic apatites)，重新结晶成为热力学上比较稳定的无机磷灰石群矿物；在此过程中，地下水的化学成分，包括酸碱值、温度、压力等等环境，不停地进出于骨头里外，如通常活生物体骨头内，基本上没有稀土元素，可是在骨头化石内，却可检测到两个系列（镧系和锕系）的稀土元素，有些骨头化石内的总稀土元素浓度，还可超过20,000 ppm，可以当稀土矿了！这些骨头化石内的稀土元素，肯定是在形成化石的过程中被富集于重新结晶中的磷灰石群晶格内，形成封闭系统的。其他价数的各种阴阳离子，则可能进进出出。

从活着到化石的可能变化历程

随着时间累积地层掩埋变化，地下水进进出出不知道多少次，有的化石形成不知道多久之后，又可能被暴露在空气中，有的被大自然搬移到别的地方，有可能又重新被掩埋。这些很漫长的时间内，到底发生了哪些情况变化，实在很难精准地说出来，我们无法回到几亿年前，重新走过整个石化的过程，只有手中所拿到的化石，无法回头去做大自然的实验；再者，当化石从地里深处无氧状态被往地表抬升，大约到了距离地表十米的深度，大气中的氧气作用就开始影响到化石，进而与化石里面的有机和无机成分起化学反应。

生物体内的化合物有很多，甚至可说绝大部分都是大分子聚合物。我们来讨论一种可能的情况：蛋白质是由多肽组成的，而多肽 (peptide) 是由更小的氨基酸聚合而成，也就是说，每一条蛋白质是长链氨基酸的聚合物 (polymer)，这个长链的蛋白质聚合物，在某些情况下裂解 (degradation) 成为较小的多肽群，甚至完全分解到诸多组成单体氨基酸的程度，最明显的例子就是厨房所熬的高汤或煮鱼汤，为什么这些汤头味道那么鲜美？就是氨基酸啊！也就是味精啊！那么，原本存在于化石中的蛋白质，会不会也有裂解的可能？根本甭问，化石肯定会有长链蛋白质的裂解产物，至于到底断裂到什么程度，那就难说了。化石里面保存着原本的蛋白质、某程度裂解的多肽群和完全裂解的诸多氨基酸，三者混合完全是可能的。同样的道理，其他长链化合物，如核酸、脂肪酸酯、聚糖(polysaccharides)、胶膜 (chitins) 等，有没有类似的情况，也是个甭问的假问题。

拉曼计算机断层扫描显示大洼恐龙胚胎骨头化石内第一类胶原蛋白酰胺 III 波峰的三维分布

回顾一下，今日的塑料等聚合物，都是把小分子的单体，在某种条件下聚合起来，成为长链的各种塑料，那么在漫长的地质作用年代中，各种化学反应条件下，会不会有上述裂解后小单元的重新聚合作用 (repolymerization) 呢？这当然是很有可能的，完全不能排除，可是重新聚合产物，会回到原本的长链蛋白质里面氨基酸排列序列吗？难说啊！再者，重新聚合会产生哪些产物？也是难以推测的，其中，有没有水溶性聚合物被地下水带走的？当然有可能！这也同时指出了想通过脱氧核糖核酸 (DNA)重建基因克隆古代生物（包括电影《侏罗纪公园》恐龙）的荒谬性，一则脱氧核糖核酸非常不稳定，细胞死后，酶就开始分解脱氧核糖核酸主链的组成物质核苷酸（nucleotides）之间的键结，而微生物会加快分解的速度，不过归根究底，促成键结分解最主要的因素还是在于和水起反应，脱氧核糖核酸半衰期只有 521年，几亿年前的古生物，能保存那么久的完整脱氧核糖核酸吗？即便透过各种先进精密仪器设备，可以检测到几种核苷酸，但是，这些组成长链的核苷酸排列顺序完全打乱了，如何重新把这幅没有原稿的基因图谱正确地组合呢？

从保存的可能性和抗拒衰解 (decay)的角度来说，生物分子通常顺序为： 核酸 蛋白质 碳水化合物 脂质 生物聚合物 ，也就是说，核酸最容易受到环境影响裂解成碎片化合物；随着长期的细菌和成岩（diagenetic，又称热成熟，thermal maturation）作用导致这些生物分子的裂解和改变；不同复杂生物分子裂解的速率也有很大的差异，核酸保存着原本生物最多生物信息，却是最容易裂解的；蛋白质可提供某生物体的生理和演化关系，比起核酸，可保存得更久， 我们在 亿年前的禄丰龙胚胎和成龙骨头内，找到了被保存的第一类胶原蛋白 ；被保存在外骨骼的几丁质，可能古老到三四亿年前；黑色素被保存在一亿多年前辽西的龙鸟羽毛内；化石里面的有机物，可能是该生物体内原生(endogenous) 的，也可能来自外在 (exogenous)，从埋藏环境内碳氢化合物的移入或者两者的混合结果；但是，不能忘记上两段所叙述的裂解和重新聚合，也扮演了相当重要的角色。

亿年前禄丰龙胚胎三种化学成分（磷灰石、第一类胶原蛋白、方解石）三维拉曼光谱分布。这应该是首次能看到化石内不同化学成分三维分布的纪录

总之， 化石内所保存的有机残留物，是让我们 探索 地球生命演化重要的途径，特别是在显微生物和动物的多样化方面，分析化石内外的有机残留物，可能指引原本生物分子生化组成和与这些古老生之间的关系密切程度。

大问题：有机残留物在生物与演化的重要性

作为总结，回到古生物化学有机残留物的最终极目标。我们花了很大的代价，得知在某化石内或邻近围岩内，保存了某残留有机物，该做的化学分析都做了，化学式也都有了，甚至保存的机制也都找出来了，很可能也可以发表一篇论文，当然，鉴定出是什么有机残留物和得知保存机制，在科学上有其非常重要的分量，特别是保存机制，对于整个人类的贡献和影响，非常巨大，无法预估。

然而，完成了以上这些，还是尚未达标，没有回答出古生物化学里面最最最重要的问题： 这些有机残留物对于生物学和生物演化，有什么关联？ 比方说，同样都是活在海洋里面，埃迪卡拉纪罕见有软壳或硬壳的生物，可是到了较晚的寒武纪大爆发，几丁质的外骨骼和贝壳碳酸盐硬壳都出现了，这到底怎么一回事？相对来说，埃迪卡拉纪的生物，体形较大，大的可以长到二米，十几二十厘米者很普遍，可是，大部分寒武纪大爆发生物体形都在十厘米以内，很少如奇虾六十厘米者，为什么会有如此的“老倒缩”？达尔文进化假说，如何解释？海水成分改变了生物体内的化学组成？三叶虫的眼睛促成了生存武器竞争？地球暖化？

在黄石国家公园高温喷泉水中的颜色，是不同耐温藻类所造成的各种颜色，甚至可以从颜色判断是哪种藻类和水温度。地球早期生命的生活环境可能与此类似

因此，在此要提醒读者的是，不 要赢得战斗，却输掉了战争 ；我们结合了古生物学和化学成为古生物化学，其主要的一个目标，就是 提供更多这个地球的生物学和演化学的资料证据，让我们更认识所脚踏“石”地的这颗蓝色星球来龙去脉。

本文摘编自《古生物化学入门》（黄大一著. 北京：科学出版社，2021. 7）一书“第5章 有机残留物”，有删减，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-069224-5

在中国搞古生物化石研究的学者，应该不会忘了1923年，因为在1923年中国古生物学研究开始真正起步了，首先，1923年11月中国人民的老朋友曾经在中国工作几十年并最终安葬在中国的葛利普教授在当时的热河省凌源进行化石考古和挖掘工作，命名了当时凌源含狼鳍鱼的地层为“热河系”；1928年他进而提出“热河动物群”之名。从此经过百年的考古发现和研究“热河生物群”早已名扬天下。美国地质学家葛利普教授 1923年诞生了中国地质古生物学家最早发表的古生物学学术文章，它就是北京大学地系教授李四光于1923年12月在英文版《中国地质学会志》Bull. Geol. China)的第2卷3-4合期上发表了《鉴定䗴类的图解法及其对华北䗴科研究的一些结果》一文。 在李四光的文中有属种的拉丁文名称，有化石特征的详细描述、比较、讨论，有产地层位的具体记载，有图版和图版说明。该文首先叙述了这类属于原生动物门有孔虫纲化石的特征，其外形像一纺锤（纺织机上的线筒），因此叫它“纺锤虫”。李四光根据中文古代纺锤称为“筳”，在它左边加了一个“形旁”——“虫”，而右边的“筳”是声旁，两者合起来组成了一个形声字——“䗴”，李四光所造的这个字，从那时起就在中国古生物学界沿用至今。论文对8个种及变种都做了描述，并有两个图版（共19个薄片的相片）加以表示。论文记载这些种产自直隶（河北）、山西、山东、河南、甘肃诸省的十多个地点，含化石层层数最少为一层，最多达4层（山西阳泉）。论文将这些种与国外各地之链作了对比，认为它们都属于上石炭统——太原统（相当于乌拉尔统）。 另外，在1923年12月出版的农商部地质调查所《地质汇报》第5号第2册("Bull. Geol. Surv. China,”）上有一篇中国地质学家周赞衡写的题为“山东白垩纪之植物化石”（“A Preliminary Note on some Younger Mesozoic Plants fromShantung")的论文，文中描述了产自山东下白垩统的如下植物化石属共计7属11种（其中1旧种，4新种，2相似种，4未定种）。有两页图版，为手描图。李四光和周赞衡的文章发表几乎是同时的，可以并列称为“中国人最早发表的古生物学学术文章。 另外在1923年5月中国古脊椎动物学的奠基者和领路人德日进与桑志华在宁夏灵武水洞沟发现更新世晚期化石群，包括哺乳动物、鸟类及旧石器等，称为“水洞沟文化”。 另外，中国地质古生物学家所写的第一部古生物学专著应该是1924年12月孙云铸发表于《中国古生物志》乙种第1号第4册的论著，题目是《中国北部寒武纪动物化石》这标志着中国古生物学家也能从事深入的古生物鉴定和研究，写出大部头的著作。该书首先简述了中国北方，主要是华北的直隶（河北）省、东北的奉天（辽宁）省和山东省泰安地区与张夏地区的寒武纪地层。其实早在1920年葛利普刚到中国，就在《地质汇报》第2号上发表了两篇古生物学论文，一篇是“中国二叠纪新发现之阔翅类化石”，另一篇是“直隶开平之下二叠纪动物化石”。在前一篇论文中，描述了一个阔翅类昆虫的新种——Eurypte(Anthraconectes?)chinensi(.)。在后一篇论文中，描述了苔鲜动物的Polypora属。这应该是中国发表的最早的两篇古生物学论文了 这里介绍一下葛利普，葛利普(1870-1946)是德裔美国地质学家、古生物学家、地层学家。葛利普是一专多能的地质学家，他一生发表近300种学术著作，当时已经50岁的葛利普辞别故园与妻女，于1920年来到中国，任农商部地质调查所古生物室主任，兼北京大学地质系古生物学教授。北洋政府成立中央研究院之后，他1929年任中央研究院地质研究所通讯研究员。1934年任北京大学地质系系主任，从此他为中国地质事业以及古生物研究事业贡献了后半生。 1922年2月3日中国地质学会在北京成立，学会的刊物是《中国地质学会志》，许多古生物学研究论文在这一刊物上发表。该年4月葛利普在中国地质学会的会议上宣读“论震旦纪”的论文，这是对震旦系的第一次全面总结。《中国古生物志》创刊，出版了甲种第一号第一册“南满第三纪初期之植物化石”（傅兰林著），乙种第一号第一册（总第一号）“中国北部奥陶纪动物化石”（葛利普著）和第二号第一册“四射珊瑚化石”（葛利普著）。傅兰林和葛利普是外国人，虽然在中国受中国政府邀请搞研究， 他 们发表的论文是职务行为，这也属于中国发表的最早的几篇古生物学论文。 中国出版的第一部古生物学专著是1922年4月，葛利普的古生物学专著《中国北部奥陶纪动物化石》，以《中国古生物志》乙种第1号第1册的形式出版。葛利普受聘为北京大学的地质系古生物学教授、农商部地质调查所古生物研究室主任，是在中国土地上为中国地质古生物科学事业而工作的，他的研究成果也作为该所的系列出版物而问世，所以，他以上两篇文章和一部专著的出版就标志着中国地质古生物科学事业的发端。李四光说起葛利普他还有以下不朽的成就，比如著名的周口店北京人遗址现在仍在挖掘，人们仍然在不断寻找那丢失的北京猿人头盖骨。而葛利普教授恰是“北京人 (Peking Man) ”的起名者， 当年周口店发现人类化石的消息，之所以能迅速传遍全世界，与这一简单易记的名称是分不开的。第二中国的古生物学者不断在国外权威杂志《自然》、《科学》等杂志上发表根据在辽西发现的恐龙化石的研究成果，而这不能不追溯到葛利普教授早期提出的“热河动物群”。” 1928 年，美国著名地质古生物学家葛利普教授出版了一部科学巨著--《中国地质史》 ( Stratigraphy of China 直译为《中国地层学》 ) 。在这部书里， 他第一次提出了"热河动物群"这一名词， 用来代表分布于东亚狼鳍鱼岩系的综合化石群。 第三在 2005 年整修后重新开馆的中国地质博物馆里， 也陈列着葛利普先生鉴定 的 化 石 (Gymnosolen Grabau,Age: Precambrian, Locality: Jinzhou,Liaoning Province 葛利普裸枝叠层石， 时代： 前寒武纪， 产地： 辽宁金州)第四中国浙江省长兴县人民塑造了一个葛利普教授的塑像， 放在长兴“金钉子”博物馆里。 这是因为葛利普教授在1931 年确定了“长兴灰岩”地层， 它是“二叠系到三叠系地质连续剖面”的代名词。 此后“长兴灰岩”， 成为地质学上一个专用名词，从而载入国际地层学史册，并得到世界公认。 2001 年 3 月，国际地科联过投票，正式将浙江长兴灰岩的 D 剖面确定为全球二叠－－三叠系界线层型及点（英文简称"金钉子"）。长兴“金钉子” 是地球史上最重要的断代界线之一， 也是地球 历史 上六次生物大灭绝中最大的一次绝灭事件和全球变化相联系的点位，2001 年 3 月被国际地质科学联合会正式确定为全球对比标准点位。其意义相当于大英博物馆的铂金米达尺，成了世界标准。第五在美国国家航空和宇宙航行局网站上可以查到月球上以葛利普命名了“葛利普背侧”，一个在月亮上的山脊。葛利普教授逝世已经多年，人们仍然在不在美国国家航空和宇宙航行局网站上可以查到月球上以葛利普命名了“葛利普背侧”，一个在月亮上的山脊。 在北京大学地质系学习的中国地质学先驱之一朱森曾经回忆著名的美籍地质学家A. W. 葛利普 (Grabau) 为他们讲授古生物学、葛利普老师不仅学问渊博，而且待人诚恳，使他们受到很大的教益，他们不仅重视课堂学习而且躬行实践，重视野外现场考察。北京西山是他们实习的重要基地。葛利普、翁文灏曾带他们去热河实习。 有媒体报道：1923年11月初，中国的东北大地被层银白色包裹得分外妖娆，早晨的屋檐下还挂着晶莹的冰柱。在这个时节，从来没有考察队进人热河省进行野外发掘工作。而北京大学的一支小型地质野外考察队此时却悄然抵达此地。他们由葛利普教授和翁文灏带队，乘着吉普车，向热河省凌源县进发。葛利普是国际上大名鼎鼎的地质学家，他此行是为了考察1880年由法国鱼类学家索瓦士研究的发现于此地的狼鳍鱼化石的地层。在凌源附近的山头，葛利普发现并采集了大量狼鳍鱼与尾类蜉蝣化石，但并无其他斩获。辽西化石群1923年，葛利普在《中国地质学》中，把当时热河省凌源县附近含化石的地层定名为热河系。1928年，他又提出了“热河动物群”的名称，用来代表分布于东亚狼鳍鱼岩系的综合动物化石群。后来， 中国的顾知微院士把与热河动物群同时期的植物群也包括进来，统称为热河生物群。

只想说中科院读研待遇不错，吃住全免，每月补助还不少。第一年在园区就是重温大学生活。回所两年，感觉压力不是特别大（我观察其他同学，我压力就更加不大，因为是个外行）。很自由（真是愉快的两年）。至于就业，我们那届估计也就是 1/4 干本行吧。留所不容易，特别是现在学生越来越多。这门学科有其自身特点。我当时一直希望能把机器学习领域一些方法应用进来。但是古脊椎动物学样本太少，不好搞。3D 是另一个方向，特别是运用有限元方法对古生物骨骼进行生物力学分析。不过这块的背景知识与地质学和生物学相差较远（除非你本来是生物力学），得下功夫自学。学好了应该还是比较有市场的。如果真的认真想做科研，我觉得古生物专业还是挺有意思的。