分子古生物学的突破性进展

日期：2007-4-24
近日，美国《科学》杂志发表了北卡罗来纳州立大学和哈佛大学医学院科学家的研究成果，他们在距今古老的霸王龙骨骼化石和乳齿象骨骼化石中发现了蛋白质，引起了学术界的很大关注。在古老的化石中成功测定蛋白质序列，是分子古生物学领域的一个突破性进展。
笔者从2001年开始就注意到Mary  Schweitzer和John  Asara等人的研究，他们那时已经发现了保存特别好的恐龙化石材料，并开始进行系统的分析。2005年，Mary  Schweitzer就曾在《科学》杂志上发表文章介绍，这些骨化石内部结构保存完好，尚能识别出软组织，是非常特异的化石材料。两周前在《科学》杂志上发表的两篇文章，一篇介绍了在这些骨骼化石中测定的蛋白质的序列及其分析方法；另一篇则介绍了其软组织中的血管和细胞结构。根据这些化石材料内部保存状态以及所测定的蛋白质序列特点判断，受到人类行为污染的可能性不大，完全有可能属于原始保存的分子水平的物质。
分析结果显示，从霸王龙化石中提取的蛋白质序列，虽然并不完整，只是片断，但部分序列和现代鸟类的骨胶原蛋白质完全吻合，部分蛋白序列与两栖动物的相似。这不仅能为鸟类起源于恐龙的假说提供重要的分子化石证据，而且也从侧面说明，研究结果源于人类污染的可能性很小。
以往的研究表明，在古老的骨骼化石内部及化石之外的地层结构中，都能发现古代氨基酸的存在，甚至在几亿年前的地层中也能发现古老的氨基酸。但是，在远古化石中发现蛋白质的报道却非常少见，或者只在考古材料中有所发现，因为蛋白质在动物死亡后非常容易降解。这次美国科学家在数千万年前的化石中识别出蛋白质，是一次突破性进展。他们一方面采用先进的质谱技术测定了这些蛋白质的结构，同时采用分子生物学方法独立检测到了上述胶原蛋白的存在。
分子古生物学是从分子水平研究古生物学问题。广义地说，分子古生物学研究的对象是所有残存在地层中的源于古生物的有机分子，包括核酸(DNA与RNA)、氨基酸、脂类、甾类、碳水化合物、其他生物标志化合物等及其衍生物，事实上，这些古生物有机分子大量存在于古代沉积物中，占沉积物总量的2%之多。随着研究手段的不断提高，分子古生物学具有较大的发展潜力。
然而，地层中大多数有机分子经过地质作用后所保留的生物学信息(如古生物分类学意义、古生态意义等)已难以提取，它们在地层中的变化途径及其机制则是现代有机地球化学研究的关键问题。美国科学家在分析这些骨化石的时候，采用了质谱分析的方法，这也是一种崭新的思路。尽管质谱分析是一种常用的地质学研究方法，但一般用来分析痕量或微量元素的质量。美国科学家将这种方法用于分析蛋白质序列，对于分子古生物学来说是一种新的方法，值得学习。
尽管广义的分子古生物研究已有较长一段历史，20世纪60年代初期就有人提出  Molecular  Paleontology  一词，但是长期以来，这一研究课题一直作为有机地球化学的一个副产品，而且涉及的都是一些极稳定的有机分子及其衍生物。20世纪80年代以后，由于现代生物技术的快速发展，使得人们可能研究极其微量的生物大分子，作为生物遗传信息载体的DNA首先在较新的绝灭生物中被分析出来。20世纪90年代，分子古生物领域的热门话题中，DNA研究占主导地位。尽管如此，有关古DNA的研究中仍然存在许多未知因素和争议，比如外源DNA的污染问题、古DNA的保存极限问题等等；从目前的认识看，古DNA研究领域尚处于探索性阶段。
近年来，分子古生物领域里另一个值得注意的思路是，越来越多的研究者将古生物资料(化石记录)与现代分子生物学数据相结合，以探讨历史生物界的进化事件，即通过研究演化进程末端的现生生物的DNA或蛋白序列，结合相关生物类群的地层记录，进而讨论它们的演化问题。生物的演化历程在它们遗传信息的载体——DNA分子序列上留下了不可磨灭的烙印；根据现生生物DNA序列建立的系统树，不仅可用于独立验证以化石资料为依据的系统分析，而且，它与可靠的化石记录一起，可计算生物的演化速率。这一研究方法提供了一种新的不单纯依赖地层记录来研究古生物进化的途径，并可与传统的古生物研究结论进行比较和一致性分析。这一新的研究方法有利于克服化石记录的不完整性所带来的缺陷，对于一些不易在地层中保存的生物类群的研究尤其重要；而分子生物学数据与化石记录的结合，能更详实地揭示生物界进化中的关键步骤和进化机制中的外在因素。
目前，国内分子古生物学开始跟进国际上的研究趋势，例如发掘第四纪以来的古DNA和氨基酸；研究古DNA的保存问题；结合分子生物学数据和化石记录，研究古生物分支事件及其时间；用分子生物学和形态学相结合的方法，研究一些重要化石类群的系统学和进化特征等。希望分子古生物学这一新兴研究方向成为古生物学中不可或缺的一部分。