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作者:张勇 唐攀伟 来源:光明日报 发布时间:2021/11/13 13:07:30
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破译数亿年前的“无字天书”
——记云南大学古生物研究团队的化石情缘

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“这是一只来自5亿多年前寒武纪时期的‘虾’。”云南大学古生物研究院张喜光教授对着计算机屏幕上的图像平静地说。屏幕上是一个筒锥状的古生物,身上的细节纤毫毕现。这是从金沙江畔一块石头中“溶解”出来的化石,大小不到1毫米。一块块不起眼的石头,科研人员却可从中破译“无字天书”。

2004年起,由云南大学古生物研究院张喜光教授、侯先光教授等专家组成的研究团队开始“与石为伴”。今年11月3日,他们凭借“寒武纪特异保存化石与节肢动物早期演化”项目获得2020年度国家自然科学奖二等奖。

一颗“尘埃”,窥见生命奥秘

显微镜下,一块化石,芝麻般大小。“你看,这是它的头部,这是它的尾部……”张喜光教授边观察,边在纸上画出了显微镜下化石身体的各部分结构。他说:“经历了地球历史上五次最大的灭绝事件后,节肢动物为何仍能持续演化并保持着物种数量上的巨大优势?节肢动物是如何快速适应地球环境变化并在各种生态环境中占据优势地位的?这些奥秘都藏在一块块化石中。”

“多年来,我们百次千次地敲打石头,从澄江生物群、小石坝生物群的化石采集到成吨微体化石样品的酸泡处理,获得了大量原始数据。”张喜光说。

通过电子扫描显微镜的观察,化石中的节肢动物躯体构造一览无遗。“它们似乎在讲述远古时代的故事。”张喜光边观察边说。在科学家眼里,亿年前的古生物竟如同活的一般,于一颗“尘埃”中,该团队首次确认了真正的甲壳动物最早出现于寒武纪早期,将相关化石记录前推约2000万年,将甲壳动物上肢的化石记录前推了约1亿年,从理论上确立了其在节肢动物演化树上的重要位置。

古老虫子的脑袋,现代生命的“智慧”

在生命演化的历史长河中,动物集群行为的起源一直是悬而未决的世界难题,过去普遍认为这种复杂的生态现象出现得比较晚。“从化石记录中,我们惊奇地发现20多只海依虫头尾相连。”侯先光说,“这说明节肢动物早在5亿多年前就已具有了复杂的集群行为。”

“我们把这种化石生态现象与现生节肢动物的行为学进行比较,发现该集群行为可能是海依虫在集体迁移过程中形成的一种行为策略,也就是说5亿多年前的生物不甘‘寂寞’,竟会‘抱团’行动。”侯先光开玩笑地说,“我们说自己是最高级的生物,但节肢动物5.18亿年前已经有集群行为,实在让人佩服。”

这是最古老的指示节肢动物集群行为的化石记录,证明这一复杂的生态现象在寒武纪早期海洋生态系统雏形构建的过程中就已经演化出来。这一重大发现首次揭示“寒武纪大爆发”时期节肢动物生态行为的复杂性,为研究寒武纪早期海洋生态系统雏形的构建过程打开了全新的窗口。

研究组运用多学科交叉的手段,系统展示了早期节肢动物主要类群的神经构造,创建了早期节肢动物的演化新框架,重构了它们早期演化过程中神经系统的演化模式,开创了目前全球古生物学界关注热点之一的神经古生物学,并引领该领域的国际前沿方向。

“过渡类型是生命演化研究的关键。奇虾动物是节肢动物早期演化时期的关键过渡类型。”研究团队成员丛培允介绍,研究团队从神经古生物学、形态解剖学、系统古生物学等角度对奇虾动物进行了系统的研究,揭示这类动物在节肢动物早期演化过程中承上启下的演化意义。

古老的石头会“唱歌”

2015年,团队首次引入使用“显微CT技术”,对澄江化石中保存的动物三维结构进行无损研究。“如同医院给病人拍CT一样,我们给化石拍CT,通过X光穿透石头后,把保存在石块表面和内部的信息提取出来,经过计算机处理得到一个完整的三维信息。”研究团队成员刘煜说。

虽然说显微CT技术可以在不破坏样本的情况下清楚了解样本的内部显微结构,但用显微CT技术扫描澄江化石却是一件破天荒的事。“刚开始在德国慕尼黑扫描澄江化石的时候,根本看不清什么图像。”刘煜说,“后来经过数十次的试错,我们才明白它只是用到了扫描技术,并没有用到图像处理技术,所以无法成像。”经过研究,研究人员将扫描化石形成的数据信息拷贝到另一台电脑,运用图像处理技术,把化石中保存的动物活灵活现呈现在电脑屏幕上。

显微CT技术突破传统光学显微镜的二维形态学研究局限,实现了古生物研究技术上“0到1的突破”。刘煜说:“以前无论用针修还是画图等方法,都只能从化石表面看到二维的信息,但现在通过显微CT技术可以呈现出近乎完整的、三维立体的动物。”

依据CT提取到的可靠信息,该团队证实了节肢动物的祖先是增节生长发育的,这些全新发现改变了对一些先驱节肢动物类群形体组构以及早期演化模式的传统认知。

“古生物学是冷门学科,作为科研人员,我们唯有长坐‘冷板凳’,用数十年如一日的热情才能慢慢接近它。”张喜光教授说,“但是取得成就的那一刻,我们是很兴奋的。”

(本报记者 张勇 本报通讯员 唐攀伟)

 
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