破譯數億年前的“無字天書”

“這是一隻來自5億多年前寒武紀時期的‘蝦’。”雲南大學古生物研究院張喜光教授對着計算機屏幕上的圖像平靜地説。屏幕上是一個筒錐狀的古生物，身上的細節纖毫畢現。這是從金沙江畔一塊石頭中“溶解”出來的化石，大小不到1毫米。一塊塊不起眼的石頭，科研人員卻可從中破譯“無字天書”。

2004年起，由雲南大學古生物研究院張喜光教授、侯先光教授等專家組成的研究團隊開始“與石為伴”。今年11月3日，他們憑藉“寒武紀特異保存化石與節肢動物早期演化”項目獲得2020年度國家自然科學獎二等獎。

一顆“塵埃”，窺見生命奧秘

顯微鏡下，一塊化石，芝麻般大小。“你看，這是它的頭部，這是它的尾部……”張喜光教授邊觀察，邊在紙上畫出了顯微鏡下化石身體的各部分結構。他説：“經歷了地球歷史上五次最大的滅絕事件後，節肢動物為何仍能持續演化並保持着物種數量上的巨大優勢？節肢動物是如何快速適應地球環境變化並在各種生態環境中佔據優勢地位的？這些奧秘都藏在一塊塊化石中。”

“多年來，我們百次千次地敲打石頭，從澄江生物羣、小石壩生物羣的化石採集到成噸微體化石樣品的酸泡處理，獲得了大量原始數據。”張喜光説。

通過電子掃描顯微鏡的觀察，化石中的節肢動物軀體構造一覽無遺。“它們似乎在講述遠古時代的故事。”張喜光邊觀察邊説。在科學家眼裏，億年前的古生物竟如同活的一般，於一顆“塵埃”中，該團隊首次確認了真正的甲殼動物最早出現於寒武紀早期，將相關化石記錄前推約2000萬年，將甲殼動物上肢的化石記錄前推了約1億年，從理論上確立了其在節肢動物演化樹上的重要位置。

古老蟲子的腦袋，現代生命的“智慧”

在生命演化的歷史長河中，動物集羣行為的起源一直是懸而未決的世界難題，過去普遍認為這種複雜的生態現象出現得比較晚。“從化石記錄中，我們驚奇地發現20多隻海依蟲頭尾相連。”侯先光説，“這説明節肢動物早在5億多年前就已具有了複雜的集羣行為。”

“我們把這種化石生態現象與現生節肢動物的行為學進行比較，發現該集羣行為可能是海依蟲在集體遷移過程中形成的一種行為策略，也就是説5億多年前的生物不甘‘寂寞’，竟會‘抱團’行動。”侯先光開玩笑地説，“我們説自己是最高級的生物，但節肢動物5.18億年前已經有集羣行為，實在讓人佩服。”

這是最古老的指示節肢動物集羣行為的化石記錄，證明這一複雜的生態現象在寒武紀早期海洋生態系統雛形構建的過程中就已經演化出來。這一重大發現首次揭示“寒武紀大爆發”時期節肢動物生態行為的複雜性，為研究寒武紀早期海洋生態系統雛形的構建過程打開了全新的窗口。

研究組運用多學科交叉的手段，系統展示了早期節肢動物主要類羣的神經構造，創建了早期節肢動物的演化新框架，重構了它們早期演化過程中神經系統的演化模式，開創了目前全球古生物學界關注熱點之一的神經古生物學，並引領該領域的國際前沿方向。

“過渡類型是生命演化研究的關鍵。奇蝦動物是節肢動物早期演化時期的關鍵過渡類型。”研究團隊成員叢培允介紹，研究團隊從神經古生物學、形態解剖學、系統古生物學等角度對奇蝦動物進行了系統的研究，揭示這類動物在節肢動物早期演化過程中承上啓下的演化意義。

古老的石頭會“唱歌”

2015年，團隊首次引入使用“顯微CT技術”，對澄江化石中保存的動物三維結構進行無損研究。“如同醫院給病人拍CT一樣，我們給化石拍CT，通過X光穿透石頭後，把保存在石塊表面和內部的信息提取出來，經過計算機處理得到一個完整的三維信息。”研究團隊成員劉煜説。

雖然説顯微CT技術可以在不破壞樣本的情況下清楚瞭解樣本的內部顯微結構，但用顯微CT技術掃描澄江化石卻是一件破天荒的事。“剛開始在德國慕尼黑掃描澄江化石的時候，根本看不清什麼圖像。”劉煜説，“後來經過數十次的試錯，我們才明白它只是用到了掃描技術，並沒有用到圖像處理技術，所以無法成像。”經過研究，研究人員將掃描化石形成的數據信息拷貝到另一台電腦，運用圖像處理技術，把化石中保存的動物活靈活現呈現在電腦屏幕上。

顯微CT技術突破傳統光學顯微鏡的二維形態學研究侷限，實現了古生物研究技術上“0到1的突破”。劉煜説：“以前無論用針修還是畫圖等方法，都只能從化石表面看到二維的信息，但現在通過顯微CT技術可以呈現出近乎完整的、三維立體的動物。”

依據CT提取到的可靠信息，該團隊證實了節肢動物的祖先是增節生長發育的，這些全新發現改變了對一些先驅節肢動物類羣形體組構以及早期演化模式的傳統認知。

“古生物學是冷門學科，作為科研人員，我們唯有長坐‘冷板凳’，用數十年如一日的熱情才能慢慢接近它。”張喜光教授説，“但是取得成就的那一刻，我們是很興奮的。”

（本報記者 張勇 本報通訊員 唐攀偉）