節(jié)肢動(dòng)物林喬利蟲(chóng) 侯先光、劉煜供圖

“這是一只來(lái)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(duì)著計(jì)算機(jī)屏幕上的圖像平靜地說(shuō)。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(lái)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(wú)字天書(shū)”。

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(zhuān)家組成的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

一顆“塵?！?，窺見(jiàn)生命奧秘

顯微鏡下，一塊化石，芝麻般大小?！澳憧?，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(huà)出了顯微鏡下化石身體的各部分結(jié)構(gòu)。他說(shuō)：“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(shì)？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(shì)地位的？這些奧秘都藏在一塊塊化石中。”

“多年來(lái)，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)?！睆埾补庹f(shuō)。

通過(guò)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(wú)遺。“它們似乎在講述遠(yuǎn)古時(shí)代的故事?！睆埾补膺呌^察邊說(shuō)。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(wàn)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(shù)上的重要位置。

古老蟲(chóng)子的腦袋，現(xiàn)代生命的“智慧”

在生命演化的歷史長(zhǎng)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(guò)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?！皬幕涗浿校覀凅@奇地發(fā)現(xiàn)20多只海依蟲(chóng)頭尾相連。”侯先光說(shuō)，“這說(shuō)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?！?/p>

“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(chóng)在集體遷移過(guò)程中形成的一種行為策略，也就是說(shuō)5億多年前的生物不甘‘寂寞’，竟會(huì)‘抱團(tuán)’行動(dòng)?！焙钕裙忾_(kāi)玩笑地說(shuō)，“我們說(shuō)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?！?/p>

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(guò)程中就已經(jīng)演化出來(lái)。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(guò)程打開(kāi)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(lèi)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?cè)缙谘莼^(guò)程中神經(jīng)系統(tǒng)的演化模式，開(kāi)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(guó)際前沿方向。

“過(guò)渡類(lèi)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(guò)渡類(lèi)型?！毖芯繄F(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(duì)奇蝦動(dòng)物進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，揭示這類(lèi)動(dòng)物在節(jié)肢動(dòng)物早期演化過(guò)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(duì)澄江化石中保存的動(dòng)物三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行無(wú)損研究?！叭缤t(yī)院給病人拍CT一樣，我們給化石拍CT，通過(guò)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(lái)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理得到一個(gè)完整的三維信息?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)成員劉煜說(shuō)。

雖然說(shuō)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?！皠傞_(kāi)始在德國(guó)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(shuō)，“后來(lái)經(jīng)過(guò)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(méi)有用到圖像處理技術(shù)，所以無(wú)法成像?！苯?jīng)過(guò)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(shuō)：“以前無(wú)論用針修還是畫(huà)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(guò)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?！?/p>

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(zhǎng)發(fā)育的，這些全新發(fā)現(xiàn)改變了對(duì)一些先驅(qū)節(jié)肢動(dòng)物類(lèi)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(mén)學(xué)科，作為科研人員，我們唯有長(zhǎng)坐‘冷板凳’，用數(shù)十年如一日的熱情才能慢慢接近它?！睆埾补饨淌谡f(shuō)，“但是取得成就的那一刻，我們是很興奮的?！?/p>