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部分澄江化石

上排左起，萊德利基蟲、啰哩山蟲、撫仙湖蟲、林喬利蟲、奇蝦身體、奇蝦前爪；下排左起，微網蟲、古蟲、怪誕蟲、昆明魚。（供圖/云南大學古生物研究院）

澄江生物群

當代生物多樣性的起源及演化過程中最重要的生物演化事件當屬距今五六億年前的“寒武紀生命大爆發”。在短短的2000萬年左右的時間里，地球上突然爆炸式地出現了大量具有復雜身體結構的后生動物。當代生物圈中幾乎所有的后生動物門的最早化石記錄都可以追溯到那時。

文

劉煜，云南大學古生物研究院研究員。

馮晨，云南大學古生物研究院博士研究生。

化石遍布全球但分布相對零散，它們生動地記錄了當代生物多樣性的起源及演化過程的點滴。一說到“化石”，大部分人的第一印象可能是巨型的恐龍骨架或被壓扁的三葉蟲外骨骼。其實，有少部分非常珍貴的化石會將一些地球遠古居民的軟體組織以特異埋藏方式保存下來。

隨著科技的發展，古生物學家有機會窺見化石中保存的遠古動物的腦部結構、中樞神經系統、心血管系統、消化系統、肌肉組織，甚至近乎完整的三維身體構造。那些在石頭中沉睡了數億年的遠古生命就這樣通過現代技術鮮活起來，讓人不禁贊嘆大自然的神奇和生命演化的力量。

身邊的寒武紀化石寶庫

中國云南玉溪有一個記錄了“寒武紀生命大爆發”事件的特異埋藏化石寶庫——澄江生物群。自它于1984年7月1日被古生物學家侯先光發現以來，中國科學院南京地質古生物研究所、云南大學、西北大學等多家單位的科研人員對其中精美、珍貴的化石開展了大量研究工作，發表了數百篇學術論文，推動了后生動物的早期輻射演化等重要科學問題的研究進展。相關的學術成果得到國內外學術界的高度認可，極大地提高了中國在國際古生物學界的影響力，并陸續獲得國家自然科學獎一等獎、二等獎和教育部自然科學獎二等獎等重要獎項。

在國內外專家團隊的共同努力下，“澄江化石地”憑借精美的化石保存和重要的學術價值，于2012年7月被聯合國教育、科學及文化組織（簡稱聯合國教科文組織）正式列入“世界自然遺產”名錄，至今仍是亞洲唯一獲此殊榮的化石產地。

研究技術路線的演進

澄江化石中的每一個細節都藏著故事，需要研究人員仔細尋找最佳“拍攝”角度，對化石進行研究，將它們講透。古生物學家采用了各種成像手段和方法對化石進行觀察研究。觀察和展示保存在化石標本表面結構的傳統研究手段有相機拍攝、化石修理、顯微鏡下繪制線描圖、繪制藝術復原圖等。但是，這樣的技術路線不僅耗時、觀察不到動物身體的全貌，而且會對珍貴的化石標本造成不可逆的破壞。在澄江化石發現后的30多年中，技術瓶頸長期困擾著研究人員，使得澄江化石的學術價值一直得不到充分的展現，化石里蘊含的許多奧秘無法公之于眾。

現代科技的發展加速了人類社會的進步，古生物學研究隨之發生了前所未有的革新。掃描電子顯微鏡成像、熒光顯微鏡成像、X射線能譜掃描、顯微CT無損掃描、計算機三維建模及虛擬解剖等技術出現后，迅速介入化石研究領域。由于化石保存類型多樣，這些先進技術手段往往以不同的組合形式有針對性地應用于某類化石的研究中。科學家由此能夠更深入地認識化石標本表面和內部保存的全新細節，甚至清晰地觀察到標本內部的解剖學結構，如神經系統、肌肉組織等。

新技術、新方法的應用開創了國際古生物學界研究的分支——古神經生物學研究和顯微CT三維無損研究。

研究澄江化石的傳統技術路線

（供圖/云南大學古生物研究院）

古神經生物學

2012年至2014年，英國《自然》雜志以每年一篇的頻率刊登了3篇由云南大學云南省古生物研究重點實驗室馬曉婭、侯先光等聯合美國、英國、日本學者共同撰寫的學術文章，連續報道了澄江生物群中數個不同物種體內以特異埋藏方式保存下來的神經結構，如腦部、腹部神經索等，發現其與當今節肢動物的中樞神經系統非常相似。這一系列高水平文章的發表基于X射線能譜等成像技術應用在澄江化石研究的科研成果，研究人員依靠先進技術觀察和確認了那些一直被認為不可能在化石中保存下來的內部解剖結構。

始蟲的腹部神經索

（圖片來源：Nature）

2014年，該國際科研團隊在《自然-通訊》上發表文章，報道了他們在澄江生物群的代表動物——撫仙湖蟲體內發現的心血管系統。這一具有開創性的研究徹底顛覆了人類對化石保存的傳統認知，并啟發了研究其他特異埋藏化石的科研人員，他們陸續在化石材料里發現越來越多的神經結構。

撫仙湖蟲的心血管系統（紅色）、中樞神經系統（藍色）、和消化系統（綠色）

（圖片來源：Nature Communications）

顯微CT三維無損掃描研究

澄江化石以往給人的第一印象是被壓得扁平的精美圖畫，直到2015年，這一傳統印象被徹底顛覆。古生物學家利用顯微CT無損掃描技術和計算機三維建模技術，成功提取到埋在澄江化石內部的動物身體的三維結構。這次嘗試由云南大學云南省古生物研究重點實驗室的劉煜、侯先光領銜的科研團隊完成。迄今為止，該團隊通過該技術路線，已成功提取到24個澄江節肢動物物種的近乎完整的身體結構。這些前所未有的三維數據為學界充分認識這些遠古動物奠定了基礎。

部分澄江節肢動物的三維模型

（供圖/云南大學古生物研究院）

顯微CT三維無損掃描是將化石樣品固定在設備的樣品臺上，對其進行180°或360°旋轉拍攝。利用動物身體結構與圍巖之間的密度差，可得到由黑到白不同灰度的像素按矩陣排列構成的CT投影圖像。然后，用計算機三維軟件進行堆棧和重構，得出化石的虛擬重建模型，從而在三維視野下清晰、完整地展示動物的身體結構。科學家往往根據研究需要，對三維模型進行虛擬解剖，以揭示保存在化石下層的重要結構信息。

顯微CT無損掃描設備的內部硬件組成

左側為X射線源，中間為放置在樣品臺上的澄江化石，右側為收集掃描信號的探測器。

（供圖/云南大學古生物研究院）

顯微CT無損掃描、計算機三維建模和虛擬解剖等技術不僅能深化人類對早期節肢動物形態結構的認識，還有助于古生物學家深入探索“寒武紀生命大爆發時期后生動物的起源與早期演化”等關鍵科學問題。

化石研究是理解地球歷史和生命演化的重要途徑。隨著技術的不斷更新，未來化石研究將更加注重精細化，并在不破壞化石的情況下，獲取更多關于其內部結構和分類特征的信息。

云南大學研究團隊已將發表的CT三維數據通過微信小程序進行推廣，充分、及時地發揮前沿科學研究成果的科普價值。或許在未來的一天，我們可以通過這類化石數據庫結合人工智能等先進技術，對化石開展更高效、更精準的研究工作。