恐龙的体温有多高？恐龙蛋像鳄鱼蛋还是像鸟蛋？双团簇同位素测温法带来的新认识

2023《PNAS》|双团簇同位素测温法揭示伤齿龙：手盗龙类兽脚类恐龙的体温及蛋壳矿化的过程

一、背景导读

        非鸟恐龙到鸟类的演化过程是生物进化史上最引人入胜的片段之一，自德国索伦霍芬的始祖鸟、中国辽西地区热河、燕辽生物群的大量带羽毛恐龙和古鸟类化石发现以来，人们现已对“从龙到鸟”的骨骼形态变化有了十分系统的认识，比较解剖学所提供的相关证据无不在确证或强化“鸟类起源于兽脚类恐龙”的演化学说。随着研究的深入推进，古生物学家们对“从龙到鸟”演化历程的研究也逐渐“由外到内”，其中非鸟恐龙和现生鸟类在生殖系统、体温代谢、产卵筑巢等方面的共性与差异便是讨论的热点之一。尽管现有的化石证据让我们已经知道所有恐龙是卵生动物；部分恐龙长有羽毛且基础代谢率较高；部分恐龙存在孵卵育雏行为，但若要对这些常识背后的科学信息进行更为精确的量化描述，现有的认知依然有限，有赖于新研究方法的应用。

        在这篇2023年发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）的论文中，研究人员以加拿大阿尔伯塔省南部老人组（Oldman Formation）上层（上坎帕阶，~76.8-74.3 Ma）的伤齿龙蛋化石为材料，运用双团簇同位素测温法（Dual clumped isotope thermometry, Δ47和Δ48）对伤齿龙的体温进行了测算，并通过与现生鳄类、龟类和鸟类进行比较，揭示了伤齿龙蛋壳形成的矿化机制和这类恐龙可能的筑巢方式。由于伤齿龙（Troodon）属于真手盗龙类（Eumaniraptora），该类群的系统发育位置与鸟类十分接近，因而这项新研究所发现的信息有助于人们更好地了解非鸟恐龙-鸟类演化过程中在热生理和繁殖方面所经历的关键变化。

二、研究方法介绍

        在介绍这项新研究的结论之前，我们需要了解科学家是如何在无法穿越时空的条件下获知远古时期温度高低的。用于测定古环境的温度计并非人们日常生活中熟知的实体温度计，而是一种地球化学的研究方法。该方法的研究对象是同位素。一种元素的同位素在物理、化学、生物等反应过程中以不同比例分配于不同物质之中的现象称为同位素分馏。通过建立同位素与温度之间的关系，科学家便有望利用岩石中的同位素含量信息去推断古环境的温度，其中氧18同位素是最常用的“地质温度计”之一。尽管氧18同位素在恢复古环境温度方面卓有成效，但在古动物体温的重建方面却存在先天的不足。以主要在陆地是生活的恐龙为例，恐龙身体里的氧18同位素来源过于复杂并具有很强的环境依赖性，海拔、植被、距离海洋远近等因素都能影响氧18同位素的含量。由于影响氧同位素比例和分布的因素过多，因而依靠氧同位素温度计还原古动物体温的结果过于宽泛模糊，存在诸多不确定性，很难等价于古动物自身的体温。

        不过Δ47碳氧同位素团簇温度计技术的发展为克服上述困难提供了新的问题解决方案。团簇同位素是指同位素体（isotopologue）中两个或两个以上的原子被其相应的重同位素所取代形成的同位素体。Δ47是碳酸盐团簇同位素。碳酸根的团簇同位素无法直接通过测试获得，但基于碳酸根酸解过程中产生的CO2与矿物碳酸根中的含量成正比，通过添加校正系数的方式，可运用酸解产生的质量数为47的CO2同位素体的丰度来代表碳酸盐团簇同位素Δ47。对于CO2而言，其重同位素有三种，分别是碳13、氧17和氧18，任意两种重同位素通过质量分馏取代组成的二氧化碳同位素体即为CO2的团簇同位素，如图2-1所示。

        碳酸盐团簇同位素温度计正是基于质量数为47的CO2同位素体与其“随机分布”状态下的丰度千分差值（Δ47）与温度的热动力学关系建立的。由于含碳13-氧18键的团簇同位素体（约45 ppm）占所有质量数为47的CO2团簇同位素体的丰度接近97%，且仪器的测试精度存在限制，故所有质量数为47的CO2丰度可近似代表含碳13-氧18键的CO2团簇同位素体丰度。正因如此，Δ47碳氧同位素团簇温度计可以反映碳氧化学键生成时的周围温度，从而能更加准确地测算矿物形成时四周“小区域”的温度，显著减少了大环境中复杂因素的影响。利用该方法去分析化石材料，有望获知动物的“内环境”温度。

        有了能够测定古动物体内的方法，下一步的关键就是如何选取化石材料进行研究了。起初在2011年，科学家选择了恐龙牙齿化石的牙釉质进行研究，通过牙齿化石中的Δ47来推断恐龙体温。该方法在恐龙化石中的应用在当时是开创性的，但得出的结论却也遭到了一些质疑。考虑到大体型动物的的体温并非均匀分布，可能仅在躯干的核心位置温度更为恒定，而口腔中的牙齿并非位于恐龙身体躯干的核心位置，因此通过牙齿化石测得的温度更可能反映的是恐龙的口温，但仍然不能代表恐龙的精确体温。要想获取更为真实的恐龙体温数据，就越需要离恐龙体腔核心位置更近的材料。可惜的是，恐龙留给世人的遗骸只有它们的骨骼，体腔中的内脏软组织无法以化石的形式保存至今。在血肉无法保存为化石的情况下，测算恐龙的真实体温看似再次遇到了瓶颈，那还有什么材料既能够以化石形式保存，最初还停留在恐龙体内呢？答案也并不难猜，那便是恐龙蛋。恐龙蛋的蛋壳同样由碳酸钙构成，蛋壳中的碳酸钙是在子宫附近形成并沉积。由于包括子宫、输卵管在内的雌性生殖器官一般都存在于雌性动物体腔内最核心的位置，而Δ47碳氧同位素团簇温度计恰巧又能反映局部温度，因此测定恐龙蛋化石中的Δ47自然成为了目前推断恐龙体温的可靠方法。随着研究由粗糙走向精细，研究人员在使用Δ47团簇温度计进行测算时，还考虑到恐龙蛋化石成岩重结晶作用所造成的影响。通过反算消除地质作用的影响，让测算的温度结果与动物自身体温之间的相关性更强。

        在这篇《PNAS》论文中，研究人员提出基于Δ47的体温推断方法可能还会受到蛋壳矿化过程中同位素不平衡偏移的影响。随着仪器测试精度的提高，CO2团簇同位素的测定也不再局限于Δ47，近年来Δ48的准确测定为碳酸盐团簇同位素研究开拓了新的方向。新研究正是在原有研究的基础上，运用双团簇同位素测温法对Δ47和Δ48进行测定。Δ47和Δ48的数值通过温度的平衡关系联系在一起，偏离该关系则反映了同位素的不平衡。由于同位素的不平衡偏移现象与蛋的生物矿化过程存在关联，因而新方法的应用使我们不仅可以验证过往研究中基于Δ47所测算的温度，还可以更深入地了解生物矿化过程造成的同位素不平衡现象。研究人员将双团簇同位素温度计应用于伤齿龙蛋化石；现生鳄类、龟类和现生鸟类的卵；人工合成方解石，由此重建了伤齿龙的体温，并比较了非鸟兽脚类恐龙、爬行动物、鸟类蛋壳的矿化过程差异。

        出于科普需要，本小节的最后还将对有关动物体温的概念进行说明。人们熟知的“温血”与“冷血”并非准确描述动物体温的规范用语。要想系统地描述一种动物的体温变化，需要内温（endotherm）与外温（ectotherm）、恒温（homeotherm）与变温/异温（poikilotherm/heterotherm）四个维度。但值得注意的是，这两组名词之间并不能划等号，“内温”与 “恒温”之间并不存在等价关系。虽然这些概念都可用于描述动物的体温调节方式，但内温-外温关注的是体温热量的来源；而恒温-变温关注的是体温本身是否相对稳定。根据上述四个维度对动物进行分类，见图2-3，不难看出：人们熟知的大多数变温动物（体温随环境变化）都是外温动物（主要通过环境获得热量）；大多数恒温动物（体温保持恒定）都是内温动物（主要通过体内代谢获得热量）。但也存在变温+内温这种特殊例外，例如一些大型鲨鱼、金枪鱼（tuna）和旗鱼（billfish）拥有高于其他鱼类的代谢产热，能维持体温略高于外部环境温度，属于内温性，但体温并非处在一恒定数值，同时表现变温性。在讨论动物体温的特点和调节方式之前，读者需要对上述科学名词的定义建立正确的认识。

三、研究结果及结论

        研究人员通过测定方解石在不同温度状态下的Δ47和Δ48，绘制了图3-1中的Δ47-Δ48关系曲线，灰色直线上的节点对应温度。将伤齿龙（绿色图例）、爬行动物（蓝色图例）、现生鸟类（红色图例）蛋壳标本、人工合成高镁方解石（黄色图例）所测的Δ47和Δ48填入图中，可获知相应双团簇同位素的分布位置。伤齿龙和爬行动物（鳄类、龟类）蛋壳的Δ47-Δ48分布在方解石平衡线附近，而鸟类的蛋壳和合成方解石的Δ47-Δ48分布偏离平衡线。方差分析检验表明伤齿龙和爬行动物共同遵循平衡的Δ47-Δ48模式，而鸟类则表现为非平衡模式。因而爬行动物蛋壳的团簇同位素组成完全受温度控制，而鸟类的蛋壳的同位素组成则受到了如限速动力学等不平衡效应的控制。

3.1 伤齿龙的体温重建

        根据图3-1中的结果，三个伤齿龙蛋壳材料Δ47测量值的温度为42(±2)℃，与现生鸟类的体温相当；而第四个蛋壳材料显示的温度较低，为29(±2)℃。42℃的体温表明伤齿龙具有较高的代谢率。高代谢率和内温性能够支持幼年伤齿龙常年生活在环境温度较低的高纬度地区（80-85°N）；较高的体温则表明伤齿龙可能具备利用自身体温孵卵的能力，符合过去对于伤齿龙育雏行为的假设。尽管29℃明显低于伤齿龙体温测定值的集中分布区域，但该温度依然处在目前有关研究测定的结果范围内，显示伤齿龙可能是一种异温动物，具备自主调节体温的能力。

        异温的本质是一种允许动物根据特定需要或环境反馈而改变体温的策略。异温性普遍存在于现生动物中。内温动物通过降低代谢率，最大限度地减少能量消耗，使个体进入低耗能的“迟钝”模式（torpor），并伴随体温的下降。进入“迟钝”模式的前提条件是体温至少下降5℃，但实际在动物中的体温波动可高达9±3℃。根据恐龙蛋化石测定的伤齿龙体温也恰巧处在这一波动范围内，表明伤齿龙是一种异温内温型（heterothermic endotherm）动物。为了在低温环境中生活，同时应对食物资源短缺等生存挑战，伤齿龙可以通过降低体温的方式使自身进入“迟钝”模式。考虑异温内温在系统发育中普遍存在，这种体温控制调节模式也被认为是所有现生鸟类的祖征之一，并首先在近鸟类非鸟兽脚类恐龙中演化出现。

3.2 鸟类蛋壳中Δ47-Δ48不平衡现象所揭示的蛋壳矿化机制

        图3-3显示了现生鸟类、鳄类、龟类中蛋壳Δ47和Δ48的不平衡分布程度，其中鸟类的蛋壳存在明显的Δ48正偏移。通常，当碳酸盐的沉淀速率超过溶解的无机碳、水和方解石之间的的同位素平衡速率时，沉淀的方解石中便会出现同位素不平衡的现象。这一过程是通过无定形碳酸钙（amorphous calcium carbonate, ACC）参与实现的，这是因为ACC能够加快成核速度。鸟类蛋壳中的特异性同位素不平衡特征表明快速生长的ACC参与了鸟类蛋壳的矿化过程。而鳄类、龟类等爬行动物的蛋壳矿化速度比鸟类慢得多，效率也要低得多，目前也尚无ACC参与蛋壳矿化过程的报道，因而在现生爬行动物的蛋壳中并没有观察到明显的Δ47和Δ48不平衡分布。

3.3 非鸟恐龙-鸟类生殖系统的过渡变化

        现生鸟类仅保留了一个功能性卵巢。单侧卵巢的退化被广泛解释为鸟类为了更加高效飞行而减轻体重的策略。相较于非鸟兽脚类恐龙，仅拥有一个卵巢的鸟类需要更多的时间产下和兽脚类恐龙相同数量的卵。为维持繁殖的成功率，鸟类采用ACC参与的蛋壳矿化机制能够更加快速地产生方解石，并增加蛋壳的整体矿化率，以此平衡卵巢损失所带来的局限。

        截止目前，古生物学家尚未发现兽脚类恐龙生殖系统软组织的可靠化石证据。但这项研究对于伤齿龙蛋壳的分析显示其不具备现生鸟类蛋壳中的同位素不平衡分布特征。伤齿龙蛋壳的平衡同位素组成表明其中并不存在ACC参与的矿化作用，与现生爬行动物蛋壳的矿化机制更为近似。因而伤齿龙可能近似于现生的鳄类，同样拥有两个功能性卵巢；单侧卵巢的退化消失最初发生在鸟类谱系，而非在兽脚类恐龙中。

3.4 矿化效率与Δ48不平衡分布之间的关系

        矿化效率=动物每窝卵所含的方解石质量/动物的体重。研究人员根据不同伤齿龙蛋窝中的恐龙蛋化石测算了伤齿龙蛋的矿化效率，并与鳄类、龟类、鸟类蛋壳的矿化效率进行比较，同时绘制了蛋壳矿化效率和Δ48不平衡分布程度之间的关系图，如图3-4所示。其中，鳄类、龟类等爬行动物蛋壳的矿化效率极低（<0.006），且不存在Δ48不平衡分布的现象；而鸟类的蛋壳拥有更高的矿化效率（>0.008），Δ48不平衡分布程度显著。由于伤齿龙蛋壳的Δ48不平衡分布程度很低，根据不同蛋窝（clutch）所测定的矿化效率结果，可知伤齿龙蛋壳的矿化效率可能与现生爬行动物近似，但低于现生鸟类。过往研究表明，每枚伤齿龙蛋所含的方解石质量约为50~60 g，根据该结果估算每只伤齿龙平均可产下4-6枚蛋。在已发现的伤齿龙巢穴（nest）中，巢穴最多容纳了24枚恐龙蛋，这表明伤齿龙可能会类似现生鸵鸟那样共享巢穴，4-6只雌性伤齿龙会在同一巢穴中轮流产卵孵蛋。

四、总结点评

        尽管同位素测温法已被多次用于恐龙体温的估测，但仪器的进步发展使这项新研究能够运用更为进阶的双团簇同位素法对已有问题进行更为深入的探索。本研究将目标聚焦于近鸟类中的伤齿龙，在验证过往研究测算伤齿龙体温结果的同时，分析了非鸟恐龙、现生爬行动物、现生鸟类蛋壳在矿化机制和效率上的差异。本研究重点讨论了非鸟恐龙向鸟类演化过程中在热生理和生殖系统方面的变化，这有助于我们更加深刻地认识“恐龙体温有多高？”、“恐龙是温血还是冷血动物？”、“恐龙会孵蛋育雏吗？”等恐龙古生物学研究领域内的经典问题。此外，对于不从事古生物学研究的普通人而言，这项研究告诉我们，了解恐龙的生物学特征和行为不仅仅只依赖骨骼化石，恐龙蛋中往往蕴藏着更为丰富且专一的远古信息等待人们去发现破解。

参考资料：

1. 知乎专栏文章——如何给恐龙测体温？

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

2. 知乎专栏文章——藏在耳朵里的秘密：内温性的起源

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

3.《沉积学报》——沉积数据 碳酸盐团簇同位素：不仅仅是“地质温度计”（http://www.cjxb.ac.cn/news/cjzs/017c6c72-e426-4e9a-8d9c-53535cf1022a.htm）

同位素测温法在恐龙蛋化石中的应用研究：

[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.