科学家破译5亿年前的“骨头密码”

中国青年报客户端讯（中青报·中青网记者 孙海华）从蜗牛的壳、螃蟹的甲，到人类的骨头——地球上动物的骨骼是如何长出来的？近日，西北大学教授张志飞及其团队成员联合国内外专家研究发现，5亿年前的化石里藏着动物最早由上皮组织控制骨骼生长的证据。这一成果刷新了人类对早期动物的认知，以亮点封面论文的形式发表在2025年第10期的美国地质学会期刊——《地质学》（GEOLOGY）。

《地质学》2025年第10期封面。西北大学/供图

动物是显生宙地球上的创新主角。珊瑚、腕足动物、软体动物和管栖环节动物（原口动物）等往往具有防御用外骨骼，棘皮动物和各种脊椎动物等（后口动物）往往具有支撑身体的内骨骼。现代生物学研究认为，原口动物和后口动物骨骼的矿化机制和生理过程可能不同，但均是在上皮组织或者结缔组织控制下形成的矿化结构。

那么，动物“靠组织控制长硬壳”的能力是什么时候开始有的呢？

目前，已知最早的动物矿化骨骼记录来源于约5.6亿-5.2亿年前的寒武纪大爆发时期，地球动物很可能在此时获得了各种矿化能力。传统观点认为，动物骨骼的出现很可能与捕食者与被捕食者之间的“军备竞赛”有关，也就是人们常说的“防御天敌”，即在攻防之间演化出了攻击用的利爪与牙齿，也形成了防御用的厚重壳体，但具体机制还不清晰。

不仅“最早矿化骨骼为什么出现”这一重大科学问题没有解决，“该时期动物如何控制骨骼形成”也一直是古生物界的难题。寒武纪早期的骨骼化石材料虽不同程度保存了较为精细的壳体形态，但这些材料并未保存细节证据，以揭示“早期动物骨骼是由什么控制形成”“是否和现代动物骨骼一样，由上皮组织或者结缔组织控制形成”等问题，这些都亟待新材料的发现和创新理论的提出。

西北大学研究团队对产自我国华北板块寒武纪早期猴家山组的开腔骨骨片，开展了系统研究。

团队发现，这些骨片上存在大量以黏土矿物保存的多边形结构，如同“蜂巢”一般包覆整个开腔骨骨片。

通过和现生贝壳对比，团队发现：这些多边形的网状结构，与软体动物珠母贝棱柱层间的有机质框架，在大小、形态和显微结构上存在极大的相似性。

结合软体动物有机质框架的形成过程及形成机制，研究认为：疑难动物化石开腔骨类内部的空腔，是属于表皮细胞包围形成的真体腔。这就意味着，5亿年前的开腔骨化石具有现代真后生动物以表皮细胞形成上皮组织，进而控制外部骨骼矿化的能力。

现代动物系统学研究表明，动物四大组织（上皮组织、结缔组织、肌肉组织和神经组织）的出现，是真后生动物的典型特征。寒武纪开腔骨化石上皮组织多边形网状结构及其显微结构的发现表明，该寒武纪疑难类化石隶属于一种真后生动物。

此前，专家认为，开腔骨可能跟海绵动物存在一定的相似性，具有亲缘关系。而研究发现寒武纪开腔骨类与以中胶层造骨细胞形成矿化骨针、无任何组织分化的海绵类侧生动物完全不同，因此完全否定了开腔骨类化石属于或者与海绵动物亲缘关系亲近的传统观点。

评审专家认为，这一研究的最大亮点是将现代生物矿化原理应用于早期壳体化石，并通过多学科的交叉研究方法揭示了寒武纪大爆发期间动物矿化显微结构的复杂性，代表了真正的与矿化结构相关的上皮组织在寒武纪大爆发期间的首次发现，表明在寒武纪大爆发的早期，即使是一些比较低等的疑难动物，已经具有形成类似于现代高等动物复杂矿化骨骼的能力。

来源：中国青年报客户端