鲜活的远古生命——现代科技带来的古生物学革新

部分澄江化石

上排左起，莱德利基虫、啰哩山虫、抚仙湖虫、林乔利虫、奇虾身体、奇虾前爪；下排左起，微网虫、古虫、怪诞虫、昆明鱼。（供图/云南大学古生物研究院）

生物群

当代生物多样性的起源及演化过程中最重要的生物演化事件当属距今五六亿年前的“寒武纪生命大爆发”。在短短的2000万年左右的时间里，地球上突然爆炸式地出现了大量具有复杂身体结构的后生动物。当代生物圈中几乎所有的后生动物门的最早化石记录都可以追溯到那时。

刘煜，云南大学古生物研究院研究员。

冯晨，云南大学古生物研究院博士研究生。

化石遍布全球但分布相对零散，它们生动地记录了当代生物多样性的起源及演化过程的点滴。一说到“化石”，大部分人的第一印象可能是巨型的恐龙骨架或被压扁的三叶虫外骨骼。其实，有少部分非常珍贵的化石会将一些地球远古居民的软体组织以特异埋藏方式保存下来。

随着科技的发展，古生物学家有机会窥见化石中保存的远古动物的脑部结构、中枢神经系统、心血管系统、消化系统、肌肉组织，甚至近乎完整的三维身体构造。那些在石头中沉睡了数亿年的远古生命就这样通过现代技术鲜活起来，让人不禁赞叹大自然的神奇和生命演化的力量。

身边的寒武纪化石宝库

中国云南玉溪有一个记录了“寒武纪生命大爆发”事件的特异埋藏化石宝库——澄江生物群。自它于1984年7月1日被古生物学家侯先光发现以来，中国科学院南京地质古生物研究所、云南大学、西北大学等多家单位的科研人员对其中精美、珍贵的化石开展了大量研究工作，发表了数百篇学术论文，推动了后生动物的早期辐射演化等重要科学问题的研究进展。相关的学术成果得到国内外学术界的高度认可，极大地提高了中国在国际古生物学界的影响力，并陆续获得国家自然科学奖一等奖、二等奖和教育部自然科学奖二等奖等重要奖项。

在国内外专家团队的共同努力下，“澄江化石地”凭借精美的化石保存和重要的学术价值，于2012年7月被联合国教育、科学及文化组织（简称联合国教科文组织）正式列入“世界自然遗产”名录，至今仍是亚洲唯一获此殊荣的化石产地。

研究技术路线的演进

澄江化石中的每一个细节都藏着故事，需要研究人员仔细寻找最佳“拍摄”角度，对化石进行研究，将它们讲透。古生物学家采用了各种成像手段和方法对化石进行观察研究。观察和展示保存在化石标本表面结构的传统研究手段有相机拍摄、化石修理、显微镜下绘制线描图、绘制艺术复原图等。但是，这样的技术路线不仅耗时、观察不到动物身体的全貌，而且会对珍贵的化石标本造成不可逆的破坏。在澄江化石发现后的30多年中，技术瓶颈长期困扰着研究人员，使得澄江化石的学术价值一直得不到充分的展现，化石里蕴含的许多奥秘无法公之于众。

现代科技的发展加速了人类社会的进步，古生物学研究随之发生了前所未有的革新。扫描电子显微镜成像、荧光显微镜成像、X射线能谱扫描、显微CT无损扫描、计算机三维建模及虚拟解剖等技术出现后，迅速介入化石研究领域。由于化石保存类型多样，这些先进技术手段往往以不同的组合形式有针对性地应用于某类化石的研究中。科学家由此能够更深入地认识化石标本表面和内部保存的全新细节，甚至清晰地观察到标本内部的解剖学结构，如神经系统、肌肉组织等。

新技术、新方法的应用开创了国际古生物学界研究的分支——古神经生物学研究和显微CT三维无损研究。

研究澄江化石的传统技术路线

（供图/云南大学古生物研究院）

古神经生物学

2012年至2014年，英国《自然》杂志以每年一篇的频率刊登了3篇由云南大学云南省古生物研究重点实验室马晓娅、侯先光等联合美国、英国、日本学者共同撰写的学术文章，连续报道了澄江生物群中数个不同物种体内以特异埋藏方式保存下来的神经结构，如脑部、腹部神经索等，发现其与当今节肢动物的中枢神经系统非常相似。这一系列高水平文章的发表基于X射线能谱等成像技术应用在澄江化石研究的科研成果，研究人员依靠先进技术观察和确认了那些一直被认为不可能在化石中保存下来的内部解剖结构。

始虫的腹部神经索

（图片来源：Nature）

2014年，该国际科研团队在《自然-通讯》上发表文章，报道了他们在澄江生物群的代表动物——抚仙湖虫体内发现的心血管系统。这一具有开创性的研究彻底颠覆了人类对化石保存的传统认知，并启发了研究其他特异埋藏化石的科研人员，他们陆续在化石材料里发现越来越多的神经结构。

抚仙湖虫的心血管系统（红色）、中枢神经系统（蓝色）、和消化系统（绿色）

（图片来源：Nature Communications）

显微CT三维无损扫描研究

澄江化石以往给人的第一印象是被压得扁平的精美图画，直到2015年，这一传统印象被彻底颠覆。古生物学家利用显微CT无损扫描技术和计算机三维建模技术，成功提取到埋在澄江化石内部的动物身体的三维结构。这次尝试由云南大学云南省古生物研究重点实验室的刘煜、侯先光领衔的科研团队完成。迄今为止，该团队通过该技术路线，已成功提取到24个澄江节肢动物物种的近乎完整的身体结构。这些前所未有的三维数据为学界充分认识这些远古动物奠定了基础。

部分澄江节肢动物的三维模型

（供图/云南大学古生物研究院）

显微CT三维无损扫描是将化石样品固定在设备的样品台上，对其进行180°或360°旋转拍摄。利用动物身体结构与围岩之间的密度差，可得到由黑到白不同灰度的像素按矩阵排列构成的CT投影图像。然后，用计算机三维软件进行堆栈和重构，得出化石的虚拟重建模型，从而在三维视野下清晰、完整地展示动物的身体结构。科学家往往根据研究需要，对三维模型进行虚拟解剖，以揭示保存在化石下层的重要结构信息。

显微CT无损扫描设备的内部硬件组成

左侧为X射线源，中间为放置在样品台上的澄江化石，右侧为收集扫描信号的探测器。

（供图/云南大学古生物研究院）

显微CT无损扫描、计算机三维建模和虚拟解剖等技术不仅能深化人类对早期节肢动物形态结构的认识，还有助于古生物学家深入探索“寒武纪生命大爆发时期后生动物的起源与早期演化”等关键科学问题。

化石研究是理解地球历史和生命演化的重要途径。随着技术的不断更新，未来化石研究将更加注重精细化，并在不破坏化石的情况下，获取更多关于其内部结构和分类特征的信息。

云南大学研究团队已将发表的CT三维数据通过微信小程序进行推广，充分、及时地发挥前沿科学研究成果的科普价值。或许在未来的一天，我们可以通过这类化石数据库结合人工智能等先进技术，对化石开展更高效、更精准的研究工作。

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早寒武纪澄江生物群节肢动物

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《科学画报》2024年第6期