恐龙蛋壳中次生卵壳单元的生物起源揭示手盗龙类恐龙丢失的生物矿化过程

研究人员针对非鸟类恐龙蛋壳中次生卵壳单元(SEUs)的起源争议，通过PLM、SEM、EBSD等显微技术分析中国和西班牙的恐龙蛋壳样本，结合现代龟鳖类和鳄类蛋壳对比，证实SEUs为生物成因结构，揭示了其与龟鳖类相似的基质纤维触发形成机制，并发现手盗龙类恐龙(含鸟类)演化出更精细的蛋壳形成生理过程。该研究为恐龙生物矿化策略的演化轨迹提供了关键证据，发表于《SCIENCE ADVANCES》。

　　

恐龙蛋壳作为珍贵的古生物学档案，其微观结构隐藏着已灭绝物种繁殖策略的关键线索。在现生鸟类蛋壳中罕见的次生卵壳单元(Secondary Eggshell Units, SEUs)，却是非鸟类恐龙蛋壳的标志性特征，长期以来引发学界对其起源的激烈争论——究竟是生物矿化过程的产物，还是埋藏作用形成的假象？这一争议直接影响我们对恐龙生殖生理演化的理解。更令人困惑的是，SEUs在手盗龙类恐龙（包括鸟类）蛋壳中几乎消失，这种差异是否暗示着关键的生理机制转变？

为解决这些问题，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所领衔的国际团队，对来自中国和西班牙的8类恐龙蛋壳化石（如Dictyoolithus hongpoensis、Megaloolithus siruguei等）展开多尺度分析，并首次系统对比现代龟鳖类（Astrochelys radiata等）和鳄类（Caiman crocodilus）蛋壳的SEUs特征。研究创新性地整合偏光显微镜(PLM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、阴极发光(CL)和电子背散射衍射(EBSD)技术，通过晶体取向、有机质残留等生物标志物，构建了SEUs的生物成因证据链。

关键实验技术
研究团队采用显微结构（PLM/SEM）、纳米结构（TEM）、晶体学（EBSD）和地球化学（CL）多尺度分析方法。样本来自中国浙江、湖北等地的恐龙蛋化石及现代龟鳖、鳄类标本，通过制备40μm薄片进行PLM观察；SEM分析采用5%乙酸或1%盐酸蚀刻后镀金；EBSD对抛光样本进行晶体取向测绘；FIB-SEM制备纳米薄片用于TEM观察有机基质；CL检测Mn²⁺/Fe²⁺分布以区分生物/非生物成因钙碳酸盐。

Comparison of biogenic and abiogenic parts
通过PLM着色差异（生物成因方解石因有机质降解显色）、EBSD图谱（生物部分c轴定向排列）和KAM（核均取向差）值对比，发现SEUs与原生卵壳单元(PEUs)具有相似的纹理灰度和小角度晶界（5°-10°），而填充孔隙的次生方解石则呈现均质灰度。TEM显示SEUs含多孔结构和水平生长纹，SEM观察到楔形/针状方解石及有机核心，直接反驳了SEUs"缺乏有机核心"的成岩假说。

SEUs of dinosaur eggshells
根据孔隙度将恐龙蛋壳分为三类：

1. 高孔隙型（如Dictyoolithus）：SEUs在PEUs间空腔独立生长或叠覆，具有弧形生长纹（图4），EBSD显示c轴径向排列；
2. 中孔隙型（如Megaloolithus）：SEUs嵌入PEUs或阻塞气孔，含针状方解石（图5），部分SEUs生长方向偏离主轴线但仍具生物特征；
3. 低孔隙型（Ovaloolithus）：SEUs罕见，仅见于外层空腔。

SEUs in turtle and crocodile eggshells
现代龟类SEUs含文石晶体和有机核心（图6），鳄类SEUs具同心生长纹（图7），其EBSD特征（高KAM值、高角度晶界）与恐龙SEUs高度相似，但矿物成分（龟类为文石）和独立演化历程表明此为趋同现象。

Biogenic origin of SEUs
研究提出SEUs生物成因的四大证据链：

1. 显微结构：楔形/针状方解石与有机核心；
2. 生长纹连续性：SEUs与PEUs同步生长；
3. EBSD特征：纹理灰度与高KAM值；
4. CL一致性：SEUs与PEUs受相同成岩作用。

Possible functions of SEUs
SEUs可能通过两种途径提升适应性：机械强化（完全发育的SEUs）和调节气体交换（阻塞气孔的SEUs）。高孔隙型蛋壳中SEUs层可能补偿PEUs的异常停止生长，反映生物矿化控制较弱。

Organic control challenges competition hypothesis
高孔隙型蛋壳的PEUs彼此隔离却仍保持c轴垂直排列，表明方解石取向由有机基质调控而非晶体竞争，颠覆了现代鸟类蛋壳形成的"空间竞争"理论。

Formation mechanism
提出"双有机质分泌模型"：

• 生物矿化相关基质（形成PEUs/SEUs）
• 非矿化相关基质（形成气孔/空腔）
  当两类基质在空腔中混合时触发SEUs成核（图8），该机制更接近龟鳄类而非楔齿蜥。

Evolution and loss of SEUs
研究揭示SEUs在龟鳖、鳄类、鸟臀目、蜥脚类和可能的基干坚尾龙类中独立出现（图9A），而手盗龙类（含鸟类）通过精确的基质蛋白时序调控抑制SEUs形成。另一种假说认为SEUs可能源于祖征的平行演化（图9B）。无论哪种 scenario，手盗龙类蛋壳的多层结构和精细化生理调控，标志着生物矿化机制的关键革新。

这项研究不仅终结了SEUs起源的世纪争议，更揭示了恐龙生殖生理演化的深层规律——从"粗放型"矿化（允许SEUs形成）到手盗龙类的"精密调控"模式，为理解鸟类成功演化的生理基础提供了全新视角。