在云南大学显微CT实验室里,云南大学古生物研究院副院长刘煜正在扫描一块小而薄的土黄色石头,这一特殊的扫描对象,是来自「寒武纪生命大爆发」时期的澄江化石,躺在化石里的是距今已有五亿多年的一只小虫子。 「没错,我给化石拍CT,构建出5.2亿年前这些生物的三维模型。这些生物埋进化石里的秘密,终于有望得以逐一解开」,也是自此,对「寒武纪生命大爆发」的研究进入了全新阶段,刘煜也被大家认为是「澄江化石的第二代探秘保护者」。◆香港文汇报记者 谭旻煦 云南报道
在距今约5.2亿年前一个被称为「寒武纪」的地质历史时期,地球上在2,000多万年的时间内出现了各种各样的动物,这些节肢、腕足、蠕形、海绵、脊索等动物,与现代动物形态基本相同,它们不约而同在地球上「集体亮相」,形成了多种门类动物同时存在的繁荣景象,也形成了古生物学和地质学上的一大「悬案」:依照经典的达尔文进化论观点,生物进化经历了从水生到陆地、从简单到复杂、从低级到高级漫长的演变过程,这一过程又是通过自然选择和遗传变异而缓慢逐渐实现的,「寒武纪生命大爆发」在这一理论框架下显然是不成立的。
1984年7月1日,「澄江生物群」在云南省澄江县首次被发现,这一多门类动物化石群所呈现的动物类型众多,且十分珍稀地保存了动物软体构造,首次栩栩如生地再现了远古海洋生命的壮丽景观和现生动物的原始特征,以丰富的生物学信息为「寒武纪生命大爆发」的研究提供了直接证据,在国际上被誉为「二十世纪最惊人的发现之一」。
多年来,中国以及全世界科学家对「寒武纪生命大爆发」进行了持续的研究,研究成果不断地揭示着对早期动物的新认知。刘煜将CT技术用于澄江化石,开创了澄江生物群化石的三维无损研究新领域,「寒武纪生命大爆发」更多的细节或将通过这项研究展现出来。
CT片里隐藏新发现
来到云南大学古生物研究院显微CT实验室,刘煜在电脑面前给学生们讲解今年8月28日刚刚发表的最新研究成果,「看,相对于此前对章氏麒麟虾头部具有五只复眼(一对前眼和三只后眼)和两对单支型口后附肢的认知,新研究发现该动物其实只有一只中眼和一对侧眼,前四对口后附肢均位于头部且均为双支型。」学生们凑近仔细看,显示器上的对比图片清晰地反映出前后的不同。
刘煜说,新研究成果再次展现了显微CT技术、计算机三维建模等技术不仅能深化我们对早期节肢动物形态结构的认识,还能推进对诸如「节肢动物头部起源与演化」等关键科学问题的探索。
「这是我们课题组今年通过此项技术取得的第二项比较重要的成果」,2023年早些时候,团队给寒武纪节肢动物——等刺虫拍出了多张较为完整的CT片,并在此基础上构建了数个三维模型。等刺虫是生活在约5.2亿年前寒武纪海洋里的一类相对原始的节肢动物,是研究节肢动物早期演化的绝佳对象,但一直以来,由于等刺虫宽大的壳瓣覆盖住了整个身体,古生物学家仅凭肉眼和光学显微镜难以观察到壳瓣下的细节。刘煜说,「通过CT扫描得到的数据,我们清晰地看到等刺虫的外形细节,据此推断,等刺虫的眼镜、前附肢及其后的四对附肢形成了功能性的头部,而躯干附肢为运动器官,有游泳和爬行功能。」这为学界研究节肢动物的早期演化提供了新的形态学证据。
三维图像「活化」化石
在实验室里,刘煜给香港文汇报记者演示了CT设备扫描化石获取信息的过程。「我们给化石拍CT,就像医院给病人拍CT一样,通过X光穿透化石后,通过多个角度拍摄上千张照片,就可以得到保存在石块内部信息,再经过计算机的处理,就能提取到接近完整的三维信息。」刘煜说,这与之前相比,最大的区别就在于,传统的研究是在显微镜下尽量放大化石的倍数,用细小的钢针慢慢把覆盖的岩石去掉,使某一构造细节显现出来,这是一个非常消耗时间而艰苦的工作,如果不小心用力稍微过度一点,化石构造就被破坏掉,而且关键的构造极难被揭示,「这么说吧,以前看到的是二维图像,现在可以看到三维图像,这样得到的信息,会更加准确,也会更加接近实际情况。」
别看现在给化石拍CT这一系列操作十分「丝滑」,探索这一技术的过程却也不容易。
2006年,26岁的刘煜远赴德国乌尔姆大学攻读博士学位,2009年底,博士毕业后在德国慕尼黑大学从事教学研究工作,其间,他发现有外国学者将CT技术用于化石研究,「澄江化石群被视作是化石宝库,却还从来没有人用过这种方法,或许我可以试试」,刘煜向自己的老师侯先光提出了自己的想法,很快得到了侯先光的支持,老师借了几块化石给刘煜去研究。
给化石拍CT,看着简单,操作起来却不容易,一开始明明可以见到有些信息,但却就是没办法提取到真正完整有用的,刘煜他们尝试了很多次,却还是没能建模成功,「当时想可能是因为3D建模技术不成熟,或者说不是自己熟悉的领域」,刘煜说,「最后试一次!可没想到就是这一次他成功了,清楚地提取到了化石内部的信息,高兴坏了」。
建模技术揭示立体结构
后来,经过不断研究和探索,寻找适合的建模技术支撑,刘煜终于成功揭示了澄江化石的三维立体结构,「这改变了我们的研究思路,以前我们总是希望化石露出的部分越多越好,而有了这个技术以后,就希望藏在内部的部分越多越好,这样被破坏的程度会大大减少,更加有利于我们看到接近真实的结构,这对于古生物研究很重要。」
目前,经其创新性地引入到澄江化石研究中的先进技术手段主要有:荧光显微镜、电子扫描显微镜和显微CT。前二者主要用于提取普通光学显微镜下无法观察到的、保存在化石表面的动物身体结构信息;后者则主要用于提取保存在化石内部的动物身体三维结构信息。取得这些信息后,就可以给化石建模,还原生物结构。
刘煜取得的成果,不仅给澄江化石的研究打开了新窗口,也给世界各地相关动物化石的研究提供了主要参考和典型范例。