首張大面積微米分辨率恐龍化石X射線熒光元素分布圖（藝術(shù)圖）

伯格曼與沃格里烏斯首次將同步輻射技術(shù)用到始祖鳥化石的恐龍“原位、無損、滕氏高分辨率”化學(xué)成像研究

滕氏嘉年華龍微聚焦X射線熒光光譜掃描研究現(xiàn)場(chǎng)（大連星海古生物化石博物館）

滕氏嘉年華龍（整體）及其化學(xué)元素分布圖

滕氏嘉年華龍尾部骨骼及其羽毛組織的化學(xué)元素分布圖

嘉年華龍頭骨、后腿和腰帶部位的大面Ca和Sr元素分布圖。箭頭指示部位為骨骼損傷造成Ca元素的線熒流失

滕氏嘉年華龍前爪部位的化學(xué)元素分布圖。注意：恐龍化石的布圖骨質(zhì)爪與爪鞘化學(xué)成分不同
（神秘的地球uux.cn報(bào)道）據(jù)中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所：對(duì)動(dòng)、植物化石形態(tài)結(jié)構(gòu)的原光研究，可以獲得古代生命演化的譜學(xué)重要信息，是恐龍古生物學(xué)研究的最重要途徑之一。近年來，滕氏隨著顯微譜學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展及其在地球科學(xué)中的拓展應(yīng)用，對(duì)古生物化石同時(shí)開展形態(tài)結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分研究，既能獲得更全面的生物學(xué)信息，又能獲得化石骨骼和軟組織（例如羽毛等）及其圍巖的“原始化學(xué)組成和埋藏環(huán)境”等相關(guān)信息。 
近日，中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所、地質(zhì)與地球物理研究所與大連星海古生物化石博物館合作，采用大面積微聚焦X射線熒光光譜技術(shù)，對(duì)一具長(zhǎng)度超過1米的帶羽毛恐龍化石標(biāo)本-滕氏嘉年華龍（Jianianhualong tengi），開展了整體無損的立體掃描，獲得第一幅大面積微米分辨率的恐龍骨骼、組織（包括羽毛）和圍巖的化學(xué)元素分布全景圖像。相關(guān)研究成果以封面文章的形式發(fā)表在國(guó)際專業(yè)期刊《原子光譜學(xué)》（Atomic Spectroscopy）上，地質(zhì)與地球物理研究所李金華研究員為論文第一作者，古脊椎動(dòng)物與古人類研究所的裴睿副研究員為論文共同第一作者，徐星研究員為論文通訊作者。 
1895年，德國(guó)物理學(xué)家倫琴（Wilhelm Rontgen）用一種穿透力很強(qiáng)的射線，為自己的夫人拍下了人類第一張手部骨骼的照片，他把這種神秘的光命名為X-射線，自此開啟了醫(yī)學(xué)影像和X-射線結(jié)晶學(xué)的革命。1947年，一種“高亮度、高準(zhǔn)直性”的X射線，在美國(guó)通用電氣公司的電子同步加速器中被首次觀察到，因而得名“同步輻射”。20年后，這種最初不受高能物理學(xué)家歡迎的同步輻射光源，開始受到實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家的青睞，被用來開展其它光源無法實(shí)現(xiàn)的許多前沿科學(xué)研究。 
2009年，美國(guó)斯坦福同步輻射光源（SLAC）的實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家尤.伯格曼（Uwe Bergmann）與英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的地球化學(xué)教授羅伊·沃格里烏斯（Roy A Wogelius）合作，利用SLAC的同步輻射快速掃描X射線熒光技術(shù)（SRS-XRF），對(duì)發(fā)現(xiàn)自德國(guó)索倫霍芬的始祖鳥化石進(jìn)行初步研究，獲得了微米分辨率的元素分布圖，從而開啟了利用同步輻射光源，對(duì)珍貴的鳥類和恐龍等化石標(biāo)本開展無損和原位研究的序幕。 
過去的十年，伯格曼和沃格里烏斯帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，陸續(xù)利用同步輻射X射線相關(guān)技術(shù)，對(duì)包括始祖鳥、圣賢孔子鳥和玉門甘肅鳥等化石開展更深入研究，通過辨別這些化石骨骼和軟體組織（尤其是羽毛）的特征化學(xué)元素，在微觀層面深入分析羽毛化石保存的生物學(xué)信息，為古代生命的生物化學(xué)研究打開一扇窗，也為了解這些鳥類的生活習(xí)性及其埋藏環(huán)境提供信息。近年來，來自法國(guó)和中國(guó)等國(guó)家的多個(gè)古生物研究團(tuán)隊(duì)，也加入了該研究行列。 
同步輻射光源為珍貴古生物化石樣品研究提供了一種“快速、高效、無損”的形貌和化學(xué)研究途徑。然而，開展同步輻射分析需要將樣品運(yùn)送到相應(yīng)的同步輻射實(shí)驗(yàn)室，這對(duì)一些尺寸較小的樣品（比如尺寸小于十幾厘米）不是問題，然而對(duì)于一些尺寸超過三四十厘米、且特別珍貴（通常還有可能屬于國(guó)家保護(hù)級(jí)別的）的古生物化石標(biāo)本，長(zhǎng)距離運(yùn)輸和辦理進(jìn)出海關(guān)相關(guān)手續(xù)都是難以想象的。此外，目前能對(duì)幾十厘米大小樣品開展原位、無損分析的同步輻射實(shí)驗(yàn)室為數(shù)不多，測(cè)試機(jī)會(huì)難以獲得。
滕氏嘉年華龍是一種生活在距今約1.25億年早白堊世熱河生物群中的帶羽毛的恐龍，目前由大連星海古生物化石博物館收藏。2016年，徐星研究員領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，滕氏嘉年華龍具有較長(zhǎng)的尾部和強(qiáng)壯的后肢, 具有四翼恐龍和鳥類不對(duì)稱羽毛特征，是首個(gè)被報(bào)道具有不對(duì)稱羽毛印痕的傷齒龍類。滕氏嘉年華龍的發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步完善了研究者對(duì)于鳥類起源和早期演化的認(rèn)知（Xu et al., 2017 Nat Commun 8, 14972 (2017). https://doi.org/10.1038/ncomms14972）。 
為了進(jìn)一步了解滕氏嘉年華龍為代表的的熱河生物群恐龍和鳥類化石，2018年12月，由國(guó)家古生物化石專家委員會(huì)和大連星海古生物化石博物館發(fā)起，組建了一個(gè)包括中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所、中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、德國(guó)科學(xué)院和加拿大同步輻射中心等國(guó)內(nèi)外多家研究單位的專家隊(duì)伍，采用大面積微聚焦X 射線熒光光譜技術(shù)，對(duì)滕氏嘉年華龍開展了系統(tǒng)研究。 
通過長(zhǎng)達(dá)6天的連續(xù)掃描及后續(xù)精細(xì)的數(shù)據(jù)處理，該研究獲得了如下結(jié)果：1）化石的圍巖由K、Fe、Ti、Ca、Al和Si等元素組成，指示其為凝灰?guī)r。化石骨骼富含Ca、P和S，表明化石化骨骼保存仍以磷灰石為主。與圍巖相比，化石骨骼部分富含Sr、Th、Y和Ce等元素，指示了磷灰石骨骼對(duì)這些元素的選擇性吸附作用。2）化石的羽毛部位富含Ti、Cu、Mn和Ni元素，可能指示了羽毛的原始化學(xué)成分（比如Cu元素的存在可能指示羽毛含有黑色素體），或指示埋藏過程中由于羽毛軟組織的降解過程造成了一些礦物的選擇性原位沉積。3）在埋藏和保存過程，化石的機(jī)械損傷更容易造成骨骼中Ca、P和S元素的流失，然而骨骼中吸附的Sr、Th、Y和Ce元素則相對(duì)穩(wěn)定。同時(shí)由于圍巖這些元素的含量相對(duì)低，采用Sr和Th的元素成像，能獲得邊界更清楚、對(duì)比度更好的化石骨骼圖像。4）化石的骨質(zhì)爪和爪鞘各結(jié)構(gòu)均富含Ca和P，然而二者相比，骨質(zhì)爪的Sr、Th、Y和Ce明顯比爪鞘部位偏高，表明骨質(zhì)爪和角質(zhì)爪鞘在化石化過程中存在差異。 
本研究首次將微聚焦X射線熒光光譜儀移入博物館，搭建了一個(gè)原位實(shí)驗(yàn)室，對(duì)“大尺寸且珍貴”的恐龍化石，實(shí)現(xiàn)了“原位、大面積、高分辨率和無損”的化學(xué)元素成像分析，為不能或者不容易移動(dòng)到同步輻射實(shí)驗(yàn)室開展X射線熒光光譜學(xué)研究的同類樣品，提供了一個(gè)研究范例。同時(shí)，該研究也首次獲得了滕氏嘉年華龍化石的一整套微米分辨率的元素分布圖，既得到了有關(guān)該化石骨骼、爪鞘和軟組織（特別是羽毛）及其圍巖的化學(xué)組成信息，為進(jìn)一步選定重點(diǎn)區(qū)域，開展“微創(chuàng)”取樣，進(jìn)入后續(xù)更高精度的分析奠定基礎(chǔ)。
論文鏈接：http://www.at-spectrosc.com/as/article/abstract/202101001

(責(zé)任編輯：時(shí)尚)