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(wǎng)蟲、古蟲、怪誕蟲、昆明魚。（供圖/云南大學(xué)古生物研究院）

生物群

當(dāng)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(dāng)屬距今五六億年前的“寒武紀(jì)生命大爆發(fā)”。在短短的2000萬年左右的時間里，地球上突然爆炸式地出現(xiàn)了大量具有復(fù)雜身體結(jié)構(gòu)的后生動物。當(dāng)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。

劉煜，云南大學(xué)古生物研究院研究員。

馮晨，云南大學(xué)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(dāng)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(yuǎn)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(fā)展，古生物學(xué)家有機(jī)會窺見化石中保存的遠(yuǎn)古動物的腦部結(jié)構(gòu)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、肌肉組織，甚至近乎完整的三維身體構(gòu)造。那些在石頭中沉睡了數(shù)億年的遠(yuǎn)古生命就這樣通過現(xiàn)代技術(shù)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(jì)化石寶庫

中國云南玉溪有一個記錄了“寒武紀(jì)生命大爆發(fā)”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(xué)家侯先光發(fā)現(xiàn)以來，中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所、云南大學(xué)、西北大學(xué)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(fā)表了數(shù)百篇學(xué)術(shù)論文，推動了后生動物的早期輻射演化等重要科學(xué)問題的研究進(jìn)展。相關(guān)的學(xué)術(shù)成果得到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的高度認(rèn)可，極大地提高了中國在國際古生物學(xué)界的影響力，并陸續(xù)獲得國家自然科學(xué)獎一等獎、二等獎和教育部自然科學(xué)獎二等獎等重要獎項。

在國內(nèi)外專家團(tuán)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(xué)術(shù)價值，于2012年7月被聯(lián)合國教育、科學(xué)及文化組織（簡稱聯(lián)合國教科文組織）正式列入“世界自然遺產(chǎn)”名錄，至今仍是亞洲唯一獲此殊榮的化石產(chǎn)地。

研究技術(shù)路線的演進(jìn)

澄江化石中的每一個細(xì)節(jié)都藏著故事，需要研究人員仔細(xì)尋找最佳“拍攝”角度，對化石進(jìn)行研究，將它們講透。古生物學(xué)家采用了各種成像手段和方法對化石進(jìn)行觀察研究。觀察和展示保存在化石標(biāo)本表面結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)研究手段有相機(jī)拍攝、化石修理、顯微鏡下繪制線描圖、繪制藝術(shù)復(fù)原圖等。但是，這樣的技術(shù)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(biāo)本造成不可逆的破壞。在澄江化石發(fā)現(xiàn)后的30多年中，技術(shù)瓶頸長期困擾著研究人員，使得澄江化石的學(xué)術(shù)價值一直得不到充分的展現(xiàn)，化石里蘊(yùn)含的許多奧秘?zé)o法公之于眾。

現(xiàn)代科技的發(fā)展加速了人類社會的進(jìn)步，古生物學(xué)研究隨之發(fā)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(jī)三維建模及虛擬解剖等技術(shù)出現(xiàn)后，迅速介入化石研究領(lǐng)域。由于化石保存類型多樣，這些先進(jìn)技術(shù)手段往往以不同的組合形式有針對性地應(yīng)用于某類化石的研究中。科學(xué)家由此能夠更深入地認(rèn)識化石標(biāo)本表面和內(nèi)部保存的全新細(xì)節(jié)，甚至清晰地觀察到標(biāo)本內(nèi)部的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，如神經(jīng)系統(tǒng)、肌肉組織等。

新技術(shù)、新方法的應(yīng)用開創(chuàng)了國際古生物學(xué)界研究的分支——古神經(jīng)生物學(xué)研究和顯微CT三維無損研究。

研究澄江化石的傳統(tǒng)技術(shù)路線

（供圖/云南大學(xué)古生物研究院）

古神經(jīng)生物學(xué)

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(xué)云南省古生物研究重點實驗室馬曉婭、侯先光等聯(lián)合美國、英國、日本學(xué)者共同撰寫的學(xué)術(shù)文章，連續(xù)報道了澄江生物群中數(shù)個不同物種體內(nèi)以特異埋藏方式保存下來的神經(jīng)結(jié)構(gòu)，如腦部、腹部神經(jīng)索等，發(fā)現(xiàn)其與當(dāng)今節(jié)肢動物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)非常相似。這一系列高水平文章的發(fā)表基于X射線能譜等成像技術(shù)應(yīng)用在澄江化石研究的科研成果，研究人員依靠先進(jìn)技術(shù)觀察和確認(rèn)了那些一直被認(rèn)為不可能在化石中保存下來的內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)。

始蟲的腹部神經(jīng)索

（圖片來源：Nature）

2014年，該國際科研團(tuán)隊在《自然-通訊》上發(fā)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(nèi)發(fā)現(xiàn)的心血管系統(tǒng)。這一具有開創(chuàng)性的研究徹底顛覆了人類對化石保存的傳統(tǒng)認(rèn)知，并啟發(fā)了研究其他特異埋藏化石的科研人員，他們陸續(xù)在化石材料里發(fā)現(xiàn)越來越多的神經(jīng)結(jié)構(gòu)。

撫仙湖蟲的心血管系統(tǒng)（紅色）、中樞神經(jīng)系統(tǒng)（藍(lán)色）、和消化系統(tǒng)（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(tǒng)印象被徹底顛覆。古生物學(xué)家利用顯微CT無損掃描技術(shù)和計算機(jī)三維建模技術(shù)，成功提取到埋在澄江化石內(nèi)部的動物身體的三維結(jié)構(gòu)。這次嘗試由云南大學(xué)云南省古生物研究重點實驗室的劉煜、侯先光領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊完成。迄今為止，該團(tuán)隊通過該技術(shù)路線，已成功提取到24個澄江節(jié)肢動物物種的近乎完整的身體結(jié)構(gòu)。這些前所未有的三維數(shù)據(jù)為學(xué)界充分認(rèn)識這些遠(yuǎn)古動物奠定了基礎(chǔ)。

部分澄江節(jié)肢動物的三維模型

（供圖/云南大學(xué)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(shè)備的樣品臺上，對其進(jìn)行180°或360°旋轉(zhuǎn)拍攝。利用動物身體結(jié)構(gòu)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(gòu)成的CT投影圖像。然后，用計算機(jī)三維軟件進(jìn)行堆棧和重構(gòu)，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(jié)構(gòu)。科學(xué)家往往根據(jù)研究需要，對三維模型進(jìn)行虛擬解剖，以揭示保存在化石下層的重要結(jié)構(gòu)信息。

顯微CT無損掃描設(shè)備的內(nèi)部硬件組成

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

（供圖/云南大學(xué)古生物研究院）

顯微CT無損掃描、計算機(jī)三維建模和虛擬解剖等技術(shù)不僅能深化人類對早期節(jié)肢動物形態(tài)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，還有助于古生物學(xué)家深入探索“寒武紀(jì)生命大爆發(fā)時期后生動物的起源與早期演化”等關(guān)鍵科學(xué)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(shù)的不斷更新，未來化石研究將更加注重精細(xì)化，并在不破壞化石的情況下，獲取更多關(guān)于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和分類特征的信息。

云南大學(xué)研究團(tuán)隊已將發(fā)表的CT三維數(shù)據(jù)通過微信小程序進(jìn)行推廣，充分、及時地發(fā)揮前沿科學(xué)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(shù)據(jù)庫結(jié)合人工智能等先進(jìn)技術(shù)，對化石開展更高效、更精準(zhǔn)的研究工作。

掃描下方二維碼進(jìn)入

早寒武紀(jì)澄江生物群節(jié)肢動物

三維模型數(shù)據(jù)庫

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