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• 同步輻射能提供先進的材料結構與特性量測技術，因此逐漸成為古生物研究的重要工具。
• 利用傅立葉轉換紅外光譜顯微鏡，首次在祿豐龍胚胎骨骼中發現保存良好的膠原蛋白分子；利用奈米穿透式 X 光顯微鏡發現肉食性恐龍牙齒具備避震與抗裂結構設計，並推測鳥類透過食性轉換成功避開大滅絕。
• 3D 斷層掃描技術能夠重建古代魚類化石的微觀結構，應用於演化研究。例如從牙齒結構確認有頜脊椎動物的分化時間點可能早於早志留紀；從3D 骨甲結構推測新發現物種屬於原始軟骨魚類至硬骨魚類的過渡物種。

古生物的探索始終令人著迷，無論是巨型恐龍的出土，還是新品種昆蟲的發現，都生動展現了大自然的奇妙與多樣性。傳統上，古生物學的研究主要聚焦於形態學描述，古生物學家透過精確測量化石的結構特徵，對已滅絕物種進行分類與研究。儘管化石化（fossilization）過程會將大部分原始物質置換，但在特殊埋藏條件下，部分生物組織的微結構，甚至原始成分，仍可以被保存。而這也為古生物學家提供了難得的機會，得以一窺已滅絕物種的演化歷史、生態環境、古氣候等資訊，滿足人類對遠古世界的深層好奇心。

隨著科學技術的進步，同步輻射因為能提供先進的材料結構與特性量測技術，逐漸成為新一代古生物研究的重要工具。在過去十年間，位於新竹的國家同步輻射研究中心（國輻中心）以高解析同步輻射分析技術，為探索古生物的重要議題與研究成果提供了強而有力的支持。以下將介紹科學家如何利用這些技術，深入解析古生物的奧祕，開拓遠古生命研究的新視野。

封存1.95 億年的恐龍骨頭膠原蛋白

人類對於曾經存活於地球上的巨大生物，始終懷抱憧憬與敬畏，複製遠古巨獸的議題更是令人既期待又忐忑。如同30 多年前電影《侏儸紀公園》（Jurassic Park）的情節，科學家從琥珀中的蚊子萃取恐龍血液裡的DNA，成功複製已滅絕的恐龍。然而，在現實中，DNA 的降解半衰期僅有約521年，這意味著恐龍DNA 在數千萬年後是否仍能保存完整，是複製恐龍的關鍵。

2013 年，由加拿大、臺灣與中國組成的跨國研究團隊，利用國輻中心「台灣光源」（Taiwan Light Source, TLS）的TLS 14A1 傅立葉轉換紅外光譜顯微鏡（Fourier-transform infrared spectroscopy, FTIR）（圖一左），對距今約1.95 億年前、侏羅紀早期的祿豐龍（Lufengosaurus）胚胎骨骼化石進行深入分析，意外發現遠古有機質的殘留物。FTIR是一種強大的分析技術，能檢測化學鍵的運動，廣泛應用於有機化學與生物化學領域，用以確定有機化合物的組成與種類。蛋白質中具有特定的酰胺（amide）特徵，其中酰胺 I 對於近紅外光的吸收範圍為1600 ～ 1700 cm⁻¹，酰胺 II 吸收範圍為1510 ～ 1580 cm⁻¹。研究團隊透過分析胚胎骨骼化石的FTIR 光譜，成功在化石的血管通道中檢測到酰胺 I 和酰胺 II 的信號，證實部分有機物質仍然保存於化石中（圖一右）。

值得注意的是，這些祿豐龍胚胎化石是目前已知最古老的恐龍胚胎化石，因此其中保存的有機殘留物也是目前最古老的恐龍胚胎保存物質。這一發現不僅具有極高的科學價值，也為古生物學研究帶來突破性進展。相關成果於2013 年發表在《自然》（Nature）期刊，並成為當期封面故事，是古生物學領域的一大里程碑。

為進一步確認這些有機質的類別，研究團隊再次利用FTIR 技術，對一段保存良好的祿豐龍成年肋骨化石進行分析。由於生物骨骼主要由氫氧基磷灰石與膠原蛋白組成，兩者在紅外光譜上的特徵相似，但在特定吸收波段上存在差異。磷灰石的吸收波段範圍為900 ～ 1100 cm¹，而膠原蛋白的特徵吸收峰則出現在1637 cm⁻¹ 和1245 cm⁻¹。這些差異使研究團隊能準確辨別化石中的有機質即為膠原蛋白分子。然而膠原蛋白如何在數億年後仍被保存下來？研究團隊推測可能是碳酸鈣滲透骨質，封住血管腔，形成類似水泥的保護層，因而阻止外界物質的侵入，才得以保存至今。

這是科學界首次在恐龍骨骼化石中發現保存良好的膠原蛋白分子，該研究成果發表於2017 年的《自然通訊》（Nature Communications）期刊，並被《發現》（Discover）雜誌評選為當年度全球100大科學發現的第12名。這一成果為遠古生物研究開闢了新方向，也重新引發恐龍複製與復育的熱議，特別是為未來發現完整保存的恐龍DNA 序列提供了新的可能性。

恐龍吃什麼？祕密藏在牙齒裡

2015 年，以國輻中心為主的研究團隊利用台灣光源TLS 01B1 奈米穿透式X 光顯微鏡（nanotransmission X-ray microscope, nano-TXM），對八種蜥臀目（Saurischia）恐龍和五種鳥臀目（Ornithischia）恐龍的牙齒內部3D 微結構特徵進行深入研究，發現肉食性恐龍牙齒不易斷裂的祕密。同步輻射nano-TXM 是一套基於高解析度X 光波帶片（zoneplate）成像元件的3D X 光電腦斷層掃描系統（圖二左上），有高達30 ～ 60 奈米（nm）的超高空間解析度，遠超傳統醫用X 光電腦斷層掃描解析度的2000 倍以上。

研究結果顯示，以肉食性為主的蜥臀目恐龍與植食性鳥臀目恐龍的牙齒主要差異，在於被覆牙本質（mantle dentine, MD）的微細結構。蜥臀目恐龍的MD 在接近琺瑯質（tooth enamel）交界處形成了充滿孔隙的球狀間質（interglobular structure, IGS），而鳥臀目恐龍的牙齒則缺乏這一特徵（圖二下）。MD 中IGS 的多孔結構可能具有應力遮蔽功能〔註〕，能夠阻止琺瑯質裂紋向牙本質延展，進一步保護牙齒，延長使用壽命。這些特徵使蜥臀目恐龍的牙齒更具耐用性，尤其在捕食過程中能承受高強度應力而不斷裂。

〔註〕指該結構可以削弱應力，達到遮蔽效果，如同海邊的消波塊，將海浪向岸邊拍打的力量分散到四面八方。

為了驗證這個假設，研究團隊利用有限元素模擬技術，分析典型蜥臀目恐龍銳利牙齒中MD 與IGS 結構的機械性質。模擬結果顯示，IGS 的隨機分布能有效重新分配琺瑯質上的壓力，防止高應力擴散至較弱的牙本質，避免牙齒斷裂（圖二下）。因此，具有IGS 結構的MD 作為一種應力緩衝層，能有效保護牙齒免受破壞性外力的影響。

從進化角度來看，MD-IGS 結構特別適合蜥臀目恐龍長而銳利的狩獵牙齒，使牠們在撕裂大型獵物時能承受高強度咬合力，例如暴龍的咬合力高達6000 公斤，這對捕食成功與生存具有重要意義。這些重要的研究成果於2015 年發表於《科學報告》（Scientific Reports）期刊。

鳥類逃過生態災變 食性廣泛是關鍵

另一方面，恐龍的滅絕與鳥類的興起也可能和牙齒的微結構特徵有關。6600 萬年前，隕石撞擊與火山爆發引發生物大滅絕，導致約75% 的物種消失，包括非鳥類恐龍。這場災難阻礙植物的光合作用，造成植食性動物的滅絕，也使肉食性恐龍消亡。然而，恐龍的後代――鳥類，卻得以存活下來。有些科學家認為，鳥類及其他雜食性、食蟲性和食腐性物種因擁有廣泛的食性，能在植物大量死亡後找到足夠食物，成功度過生態危機。

為探討鳥類如何在恐龍滅絕的劇變中倖存，研究團隊再次利用同步輻射nano-TXM 分析了九種古鳥類牙齒，包括今鳥類（Avialae）、反鳥類（Enantiornithes）、會鳥（Sapeornis）、熱河鳥（Jeholornis）……【更多內容請閱讀科學月刊第663期】