深瞳工作室出品
科技日報(bào)記者 魏依晨 策劃 趙英淑 滕繼濮
4月22日，游客鐘林站在江西省武寧縣澧溪鎮(zhèn)化石廣場的一尊古魚化石雕像前愣了神：“這些古魚萌態(tài)可掬的模樣，居然跟人類這么像，它跟我們有什么關(guān)系？”
這也是長期以來，科學(xué)家們思考的問題?；拖裼涗浿厍驓v史的文字，研究古生物化石就是不斷解讀這些“文字”，讓人們能更系統(tǒng)地了解生命演化、地質(zhì)變遷?？上驳氖?，由于科技的加持，科學(xué)家們加深了對“文字”的理解，逐漸還原了滅絕生物的真實(shí)面貌。
圖為江西省武寧縣澧溪鎮(zhèn)化石廣場上的化石模型。受訪者供圖
機(jī)械處理化石不再是首選
2023年5月的一天，幾位年輕的古生物研究人員半蹲在土石坑內(nèi)，小心翼翼地用鏟子挖掘土石。他們挖出一個(gè)個(gè)大小不一、凹凸不平的石塊，拿在手里摩挲著、觀察著，一旦感覺到有異樣，就會拿著石塊，問不遠(yuǎn)處的中年男子。
“蓋老師，來看看這個(gè)！”
戴著草帽、挎著工具包的中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所（以下簡稱古脊椎所）研究員蓋志琨，也正在端詳一塊石頭。
“這次應(yīng)是又有新發(fā)現(xiàn)了?！鄙w志琨小心地托著石塊，笑容隨即浮現(xiàn)出來。
果不其然，此次他們在江西九江武寧地區(qū)發(fā)現(xiàn)了九江江夏魚化石。此魚屬于盔甲魚類，是一種已經(jīng)滅絕的無頜類物種。其獨(dú)特的“裂吻”特征，不僅豐富了科學(xué)家對古生物多樣性的認(rèn)識，更揭示了生物演化歷程中更深層次信息。
之所以要尋找這些古魚，源于一個(gè)世界性難題：頜起源。
要解開難題首先要找到一種生物，它的兩個(gè)鼻囊或者鼻孔是分開的，但沒有頜。
這種生物，叫甲胄魚類。
蓋志琨說，甲胄魚類中的盔甲魚類是東亞特有種，目前只在中國和越南北部發(fā)現(xiàn)過。
經(jīng)過多年努力，他和團(tuán)隊(duì)于2002年在浙江長興有了重大發(fā)現(xiàn)：這里曾經(jīng)有過最原始的真盔甲魚，后來它被命名為曙魚。
困難也隨之而來?！笆雉~的標(biāo)本只有指甲蓋大，需要用大科學(xué)裝置同步輻射裝置對其進(jìn)行CT掃描?！鄙w志琨說。
但可惜的是，當(dāng)時(shí)我國的同步輻射技術(shù)還沒有發(fā)展起來，研究只好暫時(shí)擱置了。
長期以來，古生物學(xué)家想要進(jìn)一步研究化石內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)，一般采用對古組織切片或者連續(xù)磨片的方法來進(jìn)行。中國科學(xué)院院士張彌曼就曾使用連續(xù)磨片技術(shù)，對肉鰭魚類楊氏魚的頭部進(jìn)行精細(xì)重建，發(fā)現(xiàn)了它沒有內(nèi)鼻孔，是原始的肺魚，從而為尋找登陸魚類的直接祖先作出了突出貢獻(xiàn)。
如果化石樣本數(shù)量很多，可以用這種機(jī)械處理法操作。但如果化石本來就稀有，這種既耗時(shí)又破壞樣本的方法就不再是首選。
如今，專用CT、AI鑒定、X射線、三維建模等技術(shù)已逐漸應(yīng)用于古生物學(xué)研究。我國科學(xué)家不斷攻堅(jiān)克難，重建古生物演化歷史，產(chǎn)出了諸多重要原創(chuàng)性科研成果。
圖為九江江夏魚化石。受訪者供圖
CT技術(shù)讓石頭開口說話
2006年，蓋志琨拿著曙魚標(biāo)本到瑞士的光源中心做同步輻射掃描。
掃描發(fā)現(xiàn)，盔甲魚是位于現(xiàn)生的無頜類和有頜類中間環(huán)節(jié)的物種。而這個(gè)環(huán)節(jié)就是發(fā)育生物學(xué)家所預(yù)測的，頜的起源發(fā)育所需要的中間階段。
由此，盔甲魚為頜的起源提供了可靠的化石證據(jù)。蓋志琨團(tuán)隊(duì)為解決頜起源的世界難題提供了中國智慧。
之前蓋志琨在工作中遇到缺乏研究儀器的困境，如今也將有解決方案。
我國首臺高能同步輻射光源（HEPS）預(yù)計(jì)將于2024年發(fā)射第一束光，2025年完成交付并投入使用。
在蓋志琨看來，技術(shù)手段革新可以成為科研的“加速器”。
云南省古生物研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、云南大學(xué)古生物研究院副院長劉煜也有同樣的感受。
在一臺顯微CT設(shè)備前，身著一襲白大褂的劉煜像極了醫(yī)生。但他面對的并不是病人，而是穿越5億多年歷史的古生物化石。
通過給化石拍CT，劉煜將寒武紀(jì)化石的秘密一一揭開。
2023年，由云南大學(xué)古生物研究院、澄江化石地世界自然遺產(chǎn)博物館、美國哈佛大學(xué)研究人員組成的國際科研團(tuán)隊(duì)，運(yùn)用顯微CT斷層掃描等先進(jìn)技術(shù)手段，給寒武紀(jì)節(jié)肢動物——等刺蟲拍出了多張較為完整的CT片，為學(xué)界研究節(jié)肢動物的早期演化提供了新的形態(tài)學(xué)證據(jù)。
“拍CT相當(dāng)于讓化石開口說話?！眲㈧险f，和醫(yī)院給病人拍CT一樣，給化石拍CT，可將石頭表面和內(nèi)部信息進(jìn)行三維建模。
“這是以前難以做到的?！眲㈧险f。早前在國外學(xué)習(xí)工作期間，劉煜就嘗試給澄江化石做CT掃描，摸索出一套可以清晰呈現(xiàn)澄江化石微米級別三維細(xì)微結(jié)構(gòu)的技術(shù)路線?！耙郧盁o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，通過顯微CT技術(shù)可以呈現(xiàn)出近乎完整的、三維立體的動物圖像?！彼f。
回國后，劉煜將當(dāng)時(shí)國際生物學(xué)研究領(lǐng)域中最前沿的熒光顯微鏡、電子掃描顯微鏡和顯微CT等先進(jìn)研究手段和方法，用于澄江動物群化石標(biāo)本的研究。
顯微CT技術(shù)突破了傳統(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)從“0”到“1”的突破，從化石中獲得的信息量比之前增加了大約60%到90%。
先進(jìn)技術(shù)的運(yùn)用讓澄江化石研究更加深入。2021年底，劉煜團(tuán)隊(duì)?wèi){借“寒武紀(jì)特異保存化石與節(jié)肢動物早期演化”項(xiàng)目獲得2020年度國家自然科學(xué)獎二等獎。
圖為刺猬安吉魚（左）和俊卿清水魚（右）復(fù)原圖。 受訪者供圖
AI技術(shù)助力古生物識別
考古人員也期盼著科技能解開筆石謎題。
筆石，是一類生活在寒武紀(jì)至石炭紀(jì)海洋中的浮游或游泳型動物，目前已滅絕。它們通常保存在頁巖之中，不同的筆石物種蘊(yùn)藏著不同時(shí)期的秘密。
然而，筆石化石往往個(gè)體較小，不同物種的形態(tài)差別十分微小。如何準(zhǔn)確、快速鑒定筆石化石，對于地質(zhì)學(xué)家和古生物學(xué)家來說，都是一個(gè)挑戰(zhàn)。
“想要解開謎團(tuán)，大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)或許能幫上忙?！敝袊茖W(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所研究員徐洪河說。在中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所收藏著大量化石標(biāo)本，他和團(tuán)隊(duì)著手開始對這些化石標(biāo)本進(jìn)行研究。
“我們詳細(xì)采集了1500塊筆石化石標(biāo)本的科學(xué)信息，拍攝了大約5萬幅化石標(biāo)本圖像，并對這些圖像進(jìn)行像素級標(biāo)注，創(chuàng)建了筆石化石標(biāo)本科學(xué)權(quán)威的數(shù)據(jù)集?！毙旌楹诱f。其研究團(tuán)隊(duì)還提出了化石標(biāo)本元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，并將數(shù)據(jù)集的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)向國內(nèi)外推廣。
針對化石標(biāo)本的多模態(tài)數(shù)據(jù)集，徐洪河團(tuán)隊(duì)提出了人工智能古生物學(xué)的概念?！肮派锘淖R別有別于常見的圖像分類問題?！毙旌楹诱f，古生物本身在系統(tǒng)分類上存在層級結(jié)構(gòu)，因其依據(jù)的形態(tài)特征非常細(xì)微，對專業(yè)性要求極高。
經(jīng)過兩年多的時(shí)間，研究團(tuán)隊(duì)完成了數(shù)據(jù)集準(zhǔn)備、標(biāo)注、模型訓(xùn)練，有針對性地研發(fā)了適合于化石圖像分類的算法。
“我們將這些成果用于筆石化石識別模型，針對113種奧陶紀(jì)和志留紀(jì)重要筆石屬種，所訓(xùn)練的人工智能深度學(xué)習(xí)模型識別準(zhǔn)確率可達(dá)86%左右?！毙旌楹优d奮地說，這已遠(yuǎn)高于一般的領(lǐng)域?qū)＜摇?/p>
“將最新的人工智能與深度學(xué)習(xí)算法融入傳統(tǒng)的古生物學(xué)研究之中，這個(gè)方法非常新穎?！毙旌楹诱f，此項(xiàng)研究打造了一種全新的學(xué)科交叉形式，其研究成果可直接服務(wù)于頁巖氣勘探開發(fā)。
由于研究思路與方法均為首創(chuàng)，徐洪河團(tuán)隊(duì)因此取得了一項(xiàng)中國發(fā)明專利和一項(xiàng)美國發(fā)明專利。
“這項(xiàng)研究是古生物學(xué)、計(jì)算科學(xué)、信息科學(xué)的一次深度交叉與融合?！毙旌楹诱f，這套方法已經(jīng)部署在地層古生物大數(shù)據(jù)中心的化石本體數(shù)據(jù)庫，相關(guān)算法也應(yīng)用于部分其他常見化石門類的識別軟件，并開發(fā)了適用于移動設(shè)備的應(yīng)用程序。
圖為等刺蟲復(fù)原圖。受訪者供圖
X射線給古生物畫像
站在中國古動物館內(nèi)世界唯一的董氏中華猛龍化石骨架面前，前來參觀的人們深感震撼的同時(shí)，也在腦補(bǔ)一個(gè)畫面：它究竟長什么樣？
這個(gè)問題，如今可通過X射線“畫”出答案。
“肌肉和內(nèi)臟等軟體在生物死亡后通常會很快腐爛，無法在地層中保存下來，因此僅通過硬體化石很難復(fù)原生物的真實(shí)外形?！敝袊茖W(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所研究員王偉說，活躍在2億多年前的貴州龍，它們是有強(qiáng)健肌肉還是一身肥膘？樣貌是像胸前有個(gè)大氣囊的蜥蜴，抑或是像有個(gè)大肚子的鱷魚？
王偉向記者展示了兩張貴州龍化石示意圖。這兩張圖看上去很相似，實(shí)則各有乾坤。
“左邊為待測樣品貴州龍化石，右邊為鈣元素含量分布圖，鈣元素含量越高，在圖中顯示的顏色越深?！蓖鮽フf，這是通過三維X射線熒光掃描儀對貴州龍化石進(jìn)行檢測并得到元素分布的示意圖。經(jīng)初步研究，貴州龍前胸部相比腹部，鈣元素分布面積更廣，說明其前胸部軟體可能更加膨大。
生物死亡后埋藏在沉積物（如泥沙）中，其肌肉、內(nèi)臟在腐爛過程中會產(chǎn)生各種有機(jī)物，有機(jī)物與周圍的沉積物發(fā)生反應(yīng)，往往會在化石周圍的巖石中留下一些化學(xué)元素信息。因此，可以用化石及其圍巖表面的化學(xué)元素分布，尋找這些生物軟體的形狀或輪廓的線索。
“常用的技術(shù)手段，如開展一定面積的檢測，需要在化石及圍巖磨出一個(gè)平面，亟待探尋無損傷檢測手段。”王偉說。
為解決上述問題，王偉課題組基于多方面的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，改進(jìn)了目前國際上最先進(jìn)的大幅面材料表面化學(xué)元素掃描設(shè)備存在的缺陷，研制了可以分析不規(guī)則、立體化石表面的化學(xué)元素分布的X射線熒光無損分析儀。
“這個(gè)儀器不僅不需要對化石樣品進(jìn)行磨平破壞，而且還增加了惰性氣體噴氣口，可降低大氣中的氧氣、氮?dú)鈱y量結(jié)果的影響，使得測量環(huán)境可與真空媲美。”王偉說，儀器用激光束輔助光線測量化石等樣品表面的粗糙度，并對檢測到的X射線熒光進(jìn)行校正，從而使無損測量大型化石表面化學(xué)元素分布成為可能。王偉說，該儀器可以對野外不可移動樣品開展無損檢測。
除了三維X射線熒光掃描儀，X射線正在幫科學(xué)家解開更多化石謎題。
熱河生物群的大多數(shù)化石為壓扁的板狀，普通CT設(shè)備很難對其進(jìn)行精確掃描和重建。為此，我國研發(fā)了首臺高分辨板狀化石專用X射線顯微層析成像設(shè)備Micro-CL，極大滿足了古生物學(xué)界的研究需求。通過這些高精度的成像技術(shù)，科學(xué)家們能夠更深入地探索古生物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而為揭示生物多樣性的歷史和演化提供關(guān)鍵證據(jù)。
建立生物類群數(shù)據(jù)庫
采訪中，不少專家表示，研究古生物，是一把打開“雙開門”的鑰匙：不僅可以打開“將今論古”之門，同時(shí)打開的，還有“以古啟今”之門。
低碳環(huán)保、節(jié)能減排、環(huán)境治理……這些領(lǐng)域似乎和古生物研究沒有關(guān)系。
在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授肖益林看來，研究古生物從繁盛到滅絕的過程具有重要意義，不僅能幫助我們理解地球歷史、生命演化等，還能激發(fā)公眾對自然保護(hù)的興趣。
近日，肖益林研究團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所及合肥工業(yè)大學(xué)合作，對華南桂林地區(qū)兩個(gè)典型的晚泥盆世海相碳酸鹽剖面進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，全球氣候變冷導(dǎo)致了3.7億年前的生物大滅絕事件，約80%的海洋無脊椎動物在這次災(zāi)難中滅絕。
還有一個(gè)相似例子：2019年6月，夏威夷冒納羅亞觀測站記錄到大氣中二氧化碳濃度再創(chuàng)新高，達(dá)到414.7ppm。如果這一濃度持續(xù)升高，地球環(huán)境將發(fā)生怎樣的變化？對于這個(gè)問題，科學(xué)家從化石的記錄中找到了部分答案。
三疊紀(jì)末期，地球曾經(jīng)歷過一段強(qiáng)烈的火山活動時(shí)期，經(jīng)研究化石估算，當(dāng)時(shí)的大氣二氧化碳濃度一度高達(dá)4400ppm，地球因此經(jīng)歷了一場生物大滅絕，這些歷史數(shù)據(jù)為預(yù)測地球系統(tǒng)未來演化的模型提供了寶貴的邊界限定值。
中國地質(zhì)大學(xué)（北京）副教授邢立達(dá)每年有七個(gè)多月的時(shí)間都在荒野之中，尋找著散布在世界各地的恐龍足跡化石。
今年2月底，邢立達(dá)研究團(tuán)隊(duì)對外發(fā)布最新成果，經(jīng)對江西會昌縣修路開挖時(shí)發(fā)現(xiàn)的上千塊化石碎片進(jìn)行清理修復(fù)，發(fā)現(xiàn)了甲龍亞科新種——英良達(dá)泰龍。
“恐龍有著1.6億年漫長的存在時(shí)間，特別適合解釋地球生命演化?！毙狭⑦_(dá)認(rèn)為，生命演化是古生物學(xué)的終極問題。
古生物研究，還能看到未來。
“用生態(tài)系統(tǒng)研究的方法，推動解決生物與環(huán)境之間的互動問題，是一個(gè)新方向。”中國科學(xué)院院士、古脊椎所研究員徐星說，用生態(tài)系統(tǒng)研究的方法，恢復(fù)重建古生態(tài)系統(tǒng)，可以幫助我們更好地面對未來的挑戰(zhàn)。
徐星說，下一步不僅要推動古生物學(xué)與現(xiàn)代生物學(xué)融合發(fā)展，還要基于大數(shù)據(jù)開展古生物學(xué)研究，建立相關(guān)生物類群的數(shù)據(jù)庫。
有一個(gè)好消息傳來，古脊椎所正在推進(jìn)與中國科學(xué)院高能物理研究所以及自動化所的合作攻關(guān)，未來將首次利用大科學(xué)裝置平臺開展古生物學(xué)研究。
演化億萬載，生命逐山高。
200多歲的古生物學(xué)是一門古老的學(xué)科。如今，科技為古生物學(xué)的研究注入了新的動力。高精尖的科學(xué)技術(shù)，不僅讓我們從化石中看清生命的痕跡，更讓我們逐漸看清遠(yuǎn)古時(shí)代古生物演進(jìn)歷程。
相較于浩瀚宇宙，我們對于自然世界的認(rèn)識十分有限，但中國科學(xué)家正不斷努力拓展生物演進(jìn)歷程的認(rèn)知邊界。
