節(jié)肢動(dòng)物林喬利蟲 侯先光、劉煜供圖
“這是一只來自5億多年前寒武紀(jì)時(shí)期的‘蝦’。”云南大學(xué)古生物研究院張喜光教授對著計(jì)算機(jī)屏幕上的圖像平靜地說。屏幕上是一個(gè)筒錐狀的古生物，身上的細(xì)節(jié)纖毫畢現(xiàn)。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，由云南大學(xué)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(tuán)隊(duì)開始“與石為伴”。今年11月3日，他們憑借“寒武紀(jì)特異保存化石與節(jié)肢動(dòng)物早期演化”項(xiàng)目獲得2020年度國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
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(jié)構(gòu)。他說：“經(jīng)歷了地球歷史上五次最大的滅絕事件后，節(jié)肢動(dòng)物為何仍能持續(xù)演化并保持著物種數(shù)量上的巨大優(yōu)勢？節(jié)肢動(dòng)物是如何快速適應(yīng)地球環(huán)境變化并在各種生態(tài)環(huán)境中占據(jù)優(yōu)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，從澄江生物群、小石壩生物群的化石采集到成噸微體化石樣品的酸泡處理，獲得了大量原始數(shù)據(jù)。”張喜光說。
通過電子掃描顯微鏡的觀察，化石中的節(jié)肢動(dòng)物軀體構(gòu)造一覽無遺。“它們似乎在講述遠(yuǎn)古時(shí)代的故事。”張喜光邊觀察邊說。在科學(xué)家眼里，億年前的古生物竟如同活的一般，于一顆“塵埃”中，該團(tuán)隊(duì)首次確認(rèn)了真正的甲殼動(dòng)物最早出現(xiàn)于寒武紀(jì)早期，將相關(guān)化石記錄前推約2000萬年，將甲殼動(dòng)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(jié)肢動(dòng)物演化樹上的重要位置。
古老蟲子的腦袋，現(xiàn)代生命的“智慧”
在生命演化的歷史長河中，動(dòng)物集群行為的起源一直是懸而未決的世界難題，過去普遍認(rèn)為這種復(fù)雜的生態(tài)現(xiàn)象出現(xiàn)得比較晚。“從化石記錄中，我們驚奇地發(fā)現(xiàn)20多只海依蟲頭尾相連。”侯先光說，“這說明節(jié)肢動(dòng)物早在5億多年前就已具有了復(fù)雜的集群行為。”
“我們把這種化石生態(tài)現(xiàn)象與現(xiàn)生節(jié)肢動(dòng)物的行為學(xué)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)該集群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，也就是說5億多年前的生物不甘‘寂寞’，竟會(huì)‘抱團(tuán)’行動(dòng)。”侯先光開玩笑地說，“我們說自己是最高級(jí)的生物，但節(jié)肢動(dòng)物5.18億年前已經(jīng)有集群行為，實(shí)在讓人佩服。”
這是最古老的指示節(jié)肢動(dòng)物集群行為的化石記錄，證明這一復(fù)雜的生態(tài)現(xiàn)象在寒武紀(jì)早期海洋生態(tài)系統(tǒng)雛形構(gòu)建的過程中就已經(jīng)演化出來。這一重大發(fā)現(xiàn)首次揭示“寒武紀(jì)大爆發(fā)”時(shí)期節(jié)肢動(dòng)物生態(tài)行為的復(fù)雜性，為研究寒武紀(jì)早期海洋生態(tài)系統(tǒng)雛形的構(gòu)建過程打開了全新的窗口。
研究組運(yùn)用多學(xué)科交叉的手段，系統(tǒng)展示了早期節(jié)肢動(dòng)物主要類群的神經(jīng)構(gòu)造，創(chuàng)建了早期節(jié)肢動(dòng)物的演化新框架，重構(gòu)了它們早期演化過程中神經(jīng)系統(tǒng)的演化模式，開創(chuàng)了目前全球古生物學(xué)界關(guān)注熱點(diǎn)之一的神經(jīng)古生物學(xué)，并引領(lǐng)該領(lǐng)域的國際前沿方向。
“過渡類型是生命演化研究的關(guān)鍵。奇蝦動(dòng)物是節(jié)肢動(dòng)物早期演化時(shí)期的關(guān)鍵過渡類型。”研究團(tuán)隊(duì)成員叢培允介紹，研究團(tuán)隊(duì)從神經(jīng)古生物學(xué)、形態(tài)解剖學(xué)、系統(tǒng)古生物學(xué)等角度對奇蝦動(dòng)物進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，揭示這類動(dòng)物在節(jié)肢動(dòng)物早期演化過程中承上啟下的演化意義。
古老的石頭會(huì)“唱歌”
2015年，團(tuán)隊(duì)首次引入使用“顯微CT技術(shù)”，對澄江化石中保存的動(dòng)物三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損研究。“如同醫(yī)院給病人拍CT一樣，我們給化石拍CT，通過X光穿透石頭后，把保存在石塊表面和內(nèi)部的信息提取出來，經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理得到一個(gè)完整的三維信息。”研究團(tuán)隊(duì)成員劉煜說。
雖然說顯微CT技術(shù)可以在不破壞樣本的情況下清楚了解樣本的內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)，但用顯微CT技術(shù)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(shí)候，根本看不清什么圖像。”劉煜說，“后來經(jīng)過數(shù)十次的試錯(cuò)，我們才明白它只是用到了掃描技術(shù)，并沒有用到圖像處理技術(shù)，所以無法成像。”經(jīng)過研究，研究人員將掃描化石形成的數(shù)據(jù)信息拷貝到另一臺(tái)電腦，運(yùn)用圖像處理技術(shù)，把化石中保存的動(dòng)物活靈活現(xiàn)呈現(xiàn)在電腦屏幕上。
顯微CT技術(shù)突破傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的二維形態(tài)學(xué)研究局限，實(shí)現(xiàn)了古生物研究技術(shù)上“0到1的突破”。劉煜說：“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(xiàn)在通過顯微CT技術(shù)可以呈現(xiàn)出近乎完整的、三維立體的動(dòng)物。”
依據(jù)CT提取到的可靠信息，該團(tuán)隊(duì)證實(shí)了節(jié)肢動(dòng)物的祖先是增節(jié)生長發(fā)育的，這些全新發(fā)現(xiàn)改變了對一些先驅(qū)節(jié)肢動(dòng)物類群形體組構(gòu)以及早期演化模式的傳統(tǒng)認(rèn)知。
“古生物學(xué)是冷門學(xué)科，作為科研人員，我們唯有長坐‘冷板凳’，用數(shù)十年如一日的熱情才能慢慢接近它。”張喜光教授說，“但是取得成就的那一刻，我們是很興奮的。”