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科研进展

恐龙化石首张大面积微聚焦X射线荧光元素分布图

发表日期:2020-12-08来源:放大 缩小

  对动、植物化石形态结构的研究,可以获得古代生命演化的重要信息,是古生物学研究的最重要途径之一。近年来,随着显微谱学技术的快速发展及其在地球科学中的拓展应用,对古生物化石同时开展形态结构和化学成分研究,既能获得更全面的生物学信息,又能获得化石骨骼和软组织(例如羽毛等)及其围岩的“原始化学组成和埋藏环境”等相关信息。 

  近日,中国科学院威尼斯正规官网-威尼斯官方网站-首页、地质与地球物理研究所与大连星海古生物化石博物馆合作,采用大面积微聚焦X射线荧光光谱技术,对一具长度超过1米的带羽毛恐龙化石标本-滕氏嘉年华龙(Jianianhualong tengi),开展了整体无损的立体扫描,获得第一幅大面积微米分辨率的恐龙骨骼、组织(包括羽毛)和围岩的化学元素分布全景图像。相关研究成果以封面文章的形式发表在国际专业期刊《原子光谱学》(Atomic Spectroscopy)上,地质与地球物理研究所李金华研究员为论文第一编辑,威尼斯正规官网-威尼斯官方网站-首页的裴睿副研究员为论文共同第一编辑,徐星研究员为论文通讯编辑。 

图1. 首张大面积微米分辨率恐龙化石X射线荧光元素分布图(艺术图)

  1895年,德国物理学家伦琴(Wilhelm Rontgen)用一种穿透力很强的射线,为自己的夫人拍下了人类第一张手部骨骼的照片,他把这种神秘的光命名为X-射线,自此开启了医学影像和X-射线结晶学的革命。1947年,一种“高亮度、高准直性”的X射线,在美国通用电气企业的电子同步加速器中被首次观察到,因而得名“同步辐射”。20年后,这种最初不受高能物理学家欢迎的同步辐射光源,开始受到实验物理学家的青睐,被用来开展其它光源无法实现的许多前沿科学研究。 

  2009年,美国斯坦福同步辐射光源(SLAC)的实验室科学家尤.伯格曼(Uwe Bergmann)与英国曼彻斯特大学的地球化学教授罗伊·沃格里乌斯(Roy A Wogelius)合作,利用SLAC的同步辐射快速扫描X射线荧光技术(SRS-XRF),对发现自德国索伦霍芬的始祖鸟化石进行初步研究,获得了微米分辨率的元素分布图,从而开启了利用同步辐射光源,对珍贵的鸟类和恐龙等化石标本开展无损和原位研究的序幕。 

  过去的十年,伯格曼和沃格里乌斯带领的研究团队,陆续利用同步辐射X射线相关技术,对包括始祖鸟、圣贤孔子鸟和玉门甘肃鸟等化石开展更深入研究,通过辨别这些化石骨骼和软体组织(尤其是羽毛)的特征化学元素,在微观层面深入分析羽毛化石保存的生物学信息,为古代生命的生物化学研究打开一扇窗,也为了解这些鸟类的生活习性及其埋藏环境提供信息。近年来,来自法国和中国等国家的多个古生物研究团队,也加入了该研究行列。 

  同步辐射光源为珍贵古生物化石样品研究提供了一种“快速、高效、无损”的形貌和化学研究途径。然而,开展同步辐射分析需要将样品运送到相应的同步辐射实验室,这对一些尺寸较小的样品(比如尺寸小于十几厘米)不是问题,然而对于一些尺寸超过三四十厘米、且特别珍贵(通常还有可能属于国家保护级别的)的古生物化石标本,长距离运输和办理进出海关相关手续都是难以想象的。此外,目前能对几十厘米大小样品开展原位、无损分析的同步辐射实验室为数不多,测试机会难以获得。

 

图2. 伯格曼与沃格里乌斯首次将同步辐射技术用到始祖鸟化石的“原位、无损、高分辨率”化学成像研究

  滕氏嘉年华龙是一种生活在距今约1.25亿年早白垩世热河生物群中的带羽毛的恐龙,目前由大连星海古生物化石博物馆收藏。2016年,徐星研究员领导的一个国际研究团队研究发现,滕氏嘉年华龙具有较长的尾部和强壮的后肢, 具有四翼恐龙和鸟类不对称羽毛特征,是首个被报道具有不对称羽毛印痕的伤齿龙类。滕氏嘉年华龙的发现,进一步完善了研究者对于鸟类起源和早期演化的认知(Xu et al., 2017 Nat Commun 8, 14972 (2017). https://doi.org/10.1038/ncomms14972)。 

  为了进一步了解滕氏嘉年华龙为代表的的热河生物群恐龙和鸟类化石,201812月,由国家古生物化石专家委员会和大连星海古生物化石博物馆发起,组建了一个包括中国科学院威尼斯正规官网-威尼斯官方网站-首页、中国科学院地质与地球物理研究所、德国科学院和加拿大同步辐射中心等国内外多家研究单位的专家队伍,采用大面积微聚焦X 射线荧光光谱技术,对滕氏嘉年华龙开展了系统研究。 

 

图3. 滕氏嘉年华龙微聚焦X 射线荧光光谱扫描研究现场(大连星海古生物化石博物馆)

  通过长达6天的连续扫描及后续精细的数据处理,该研究获得了如下结果:1)化石的围岩由KFeTiCaAlSi等元素组成,指示其为凝灰岩。化石骨骼富含CaPS,表明化石化骨骼保存仍以磷灰石为主。与围岩相比,化石骨骼部分富含SrThYCe等元素,指示了磷灰石骨骼对这些元素的选择性吸附作用。2)化石的羽毛部位富含TiCuMnNi元素,可能指示了羽毛的原始化学成分(比如Cu元素的存在可能指示羽毛含有黑色素体),或指示埋藏过程中由于羽毛软组织的降解过程造成了一些矿物的选择性原位沉积。3)在埋藏和保存过程,化石的机械损伤更容易造成骨骼中CaPS元素的流失,然而骨骼中吸附的SrThYCe元素则相对稳定。同时由于围岩这些元素的含量相对低,采用SrTh的元素成像,能获得边界更清楚、对比度更好的化石骨骼图像。4)化石的骨质爪和爪鞘各结构均富含CaP,然而二者相比,骨质爪的SrThYCe明显比爪鞘部位偏高,表明骨质爪和角质爪鞘在化石化过程中存在差异。 

 

图4. 滕氏嘉年华龙(整体)及其化学元素分布图

图5. 滕氏嘉年华龙尾部骨骼及其羽毛组织的化学元素分布图

图6. 嘉年华龙头骨、后腿和腰带部位的CaSr元素分布图。箭头指示部位为骨骼损伤造成Ca元素的流失

 

图7. 滕氏嘉年华龙前爪部位的化学元素分布图。注意:恐龙化石的骨质爪与爪鞘化学成分不同

  本研究首次将微聚焦X射线荧光光谱仪移入博物馆,搭建了一个原位实验室,对“大尺寸且珍贵”的恐龙化石,实现了“原位、大面积、高分辨率和无损”的化学元素成像分析,为不能或者不容易移动到同步辐射实验室开展X射线荧光光谱学研究的同类样品,提供了一个研究范例。同时,该研究也首次获得了滕氏嘉年华龙化石的一整套微米分辨率的元素分布图,既得到了有关该化石骨骼、爪鞘和软组织(特别是羽毛)及其围岩的化学组成信息,为进一步选定重点区域,开展“微创”取样,进入后续更高精度的分析奠定基础。

论文链接:http://www.at-spectrosc.com/as/article/abstract/202101001

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