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【揭秘“云南省重点实验室”】古生物研究重点实验室:与5.2亿年前的古生物“对话”
发布时间:2019年05月08日 10:01:00  来源: 云南网
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澄江风光 记者 杨峥 摄

“澄江色似碧醍醐,万顷烟波际绿芙。”

在很多人眼中,澄江仅仅是一个“旅游胜地”;但在这群人眼中,澄江是一个“宝藏之地”。

1984年7月1日,澄江动物化石群的发现者和研究奠基人侯先光教授敲开了澄江这扇古生物宝藏的大门,至此,一场与5.2亿年前的古生物“对话”的由此开启。

“澄江生物群”生动地再现了5.3亿年前海洋生命壮丽景观和现生动物的原始特征,为研究地球早期延续时间为5370万年的生命起源、演化、生态等理论提供了珍贵证据。2012年7月1日,澄江化石地正式被列入《世界遗产名录》,成为中国第一个化石类世界遗产,填补了中国化石类自然遗产的空白。

4月,记者走进云南大学的云南省古生物重点实验室,零距离与5.2亿年前的古生物展开“对话”,探寻5.2亿年前的古生物。

一锤子“敲开”寒武纪生命之门

有人说,云南是动植物王国、有色金属王国,其实这里更是名副其实的古生物王国。

“云南拥有全世界珍稀的古生物化石资源。”云南省古生物重点实验室负责人刘煜说,云南澄江生物群的发现被国际科学界誉为“20世纪最惊人的发现之一”。它比著名的加拿大中寒武纪布尔吉斯页岩生物群还要古老1000万年,是探讨地球早起生命起源和进化的独特窗口。

有人说,澄江古生物化石的发现,是侯先光教授“用一锤子敲开了寒武纪早起古生物生命的神秘之门”。

“这一锤子的背后有偶然性却也有必然性。”刘煜回忆道,1984年6月从中国科学院南京古生物所硕士毕业的侯先光教授,来到云南澄江县的帽天山,寻找曾经生存于寒武纪的高肌虫化石。“他每天早出晚归,爬过崎岖的山路,到选点搜寻古生物化石,每日劈下的石头两三吨重,然而,艰苦的工作并没有得来想要的收获,工作了一个多星期,依然两手空空。”

想要寻找的生存于寒武纪的高肌虫化石没找到,却在半个月后发现一块形状奇特却保存完整的化石标本——来自5.3亿年前寒武纪的叶虾类化石。而这,也正式敲开了澄江这扇隐藏已久的古生物宝藏的大门,澄江生物群成为世界古生物界、进化生物学界关注的焦点,也成为云南省古生物重点实验室一直以来的聚焦点。

全世界有这么多地方都发现古生物化石,为什么只有寥寥几个地方称之为“生物群”?

“澄江生物群”迄今为止已经报道超过250个物种,发现了远古时代的17个生物类别近100多个属种,小的只有几毫米大小,大的几十毫米甚至更大,它们有的像海绵,像今天的蠕虫,像水母,像海虾,或者像帽子,像花瓶,像花朵,像圆盘……千奇百怪,美不胜收。

“要想称为‘生物群’必须有一个群落的体量,不能只有零散的碎片等;同时化石的物种必须丰富和多样。”刘煜说,澄江生物群无论是物种数量还是物种的多样性在世界上都是非常大的。

从0到1实现质的突破

澄江生物群就像一块无限的宝藏,可以代代发掘其中的宝藏和奥秘。但是,刘煜说,“化石就像是矿产资源,挖空了就没了。”

“要用有限的化石材料,结合无限的人脑和先进的技术,将其蕴藏的无限科研信息和价值全部提取出来。”刘煜讲到,2015年,侯先光教授和我首次引入使用“显微CT技术”对澄江化石中保存的动物三维结构进行无损研究。“人眼是无法看透化石,但是显微CT是通过X光可以完全穿透石头,可以把保存在石块表面和内部的信息全部提取出来得到一个完整的不能再完整的三维信息。”刘煜说。

正如侯先光教授发现澄江生物群时的存在一定运气一样,刘煜最初将显微CT技术运用到化石研究中也存在一定的运气。

刘煜回忆道,在德国柏林好不容易找到可以扫描化石标本的显微CT,但是试验了5、6次都没有成功,五六块化石标本放进去之后在电脑屏幕中却什么都看不到。第一次带着化石扫描,不知道扫描是一个什么过程,不知道哪里出了什么问题?刘煜说,“旁边的外国教授纷纷劝我放弃,说我不可能扫描成功的。”

“扫描没成功起码我也要带走数据回去进行分析,因为存在机时时长问题,当即决定采用快速扫描模式。”刘煜说,在快速扫描20分钟后,在将一台数据收集电脑拷贝到另一台电脑图像处理工作站,竟然清晰地看到了化石的模样。

也许距离成功的大门只差那临门一脚,如果放弃就将失之交臂。

“原来是因为当时数据收集的电脑使用的是扫描软件,并没有使用图像处理的软件。”刘煜说,仅仅就是因为电脑软件这样小小的操作,差点错失推开新世界的大门。

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资料图:使用高精度显微CT显示的寒武纪多节耳材村虫身体各部分精细形态结构。云大新闻中心供图

显微CT技术的运用,让古生物研究实现0到1的质变,完全颠覆之前的研究方法。刘煜说,据这几年的最新研究发现,当前提取的信息当中有绝大部分是全新的信息。“而在没有这些全新信息之前,前三十年的时间里,澄江生物群的意义已经非常重大。现在信息量翻两倍、三倍之后,其重要意义可想而知。”

破译“化石”这本“无字天书”

在过去三十年间,研究人员在野外采集到化石后,将其劈成两半分为正膜和副膜,从正膜上提取出很多的信息,但是需要人工用小针慢慢修整,让其暴露出来。

“以前用针修是一种对化石具有一定破坏性的研究方法,现在直接将化石放入显微CT支架中,360度旋转扫描,得出一千多张图像,运用计算机软件将其拼合在一起,得出来的结果非常的震撼。”刘煜说,以前无论用针修还是画图等方法,都是用眼睛看到的一个二维的信息,最多就是体现一个深度差。“现在通过该技术很直观的知道动物长得模样,是一个三维立体的动物。”

资料图:寒武纪澄江生物群中的多节耳材村虫化石。云大新闻中心供图

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这本化石“无字天书”真正被刘煜和其团队成功破译,开启与5.2亿年前古生物的“对话”。

“刚刚过去的这几年,我们并没有停留在原地,一直在软件复原、扫描小技巧方面不断探索和提升。”刘煜说到,2016年,实验室首次报道了呈3维立体保存的无节幼虫类节肢动物幼虫的最早化石记录。在澄江化石群长达30多年的研究历史中,如此精美保存的3维立体节肢动物幼虫标本的发现尚属首次。

扫描一块2毫米的类似小虾这类节肢动物的小幼虫化石,揭示了化石幼虫腹部附肢构造,能判断出当时小幼虫才从卵里面孵化出来的时间,能看到幼虫身体有一对对的小凸起,小凸起从前往后逐渐变小,但是具体细节看不到。“即便只能看到这些,在当时已经是一个很大的突破。”

时隔两年,刘煜把这块化石标本重新扫描和处理,又一个全新的世界被打开。“现在能看到的信息量是当时的十倍,虽然动物标本本身只有2毫米,却能清晰看到幼虫的小分节上面有两个小刺,而这个小刺已经达到微米级别。”刘煜说,这两个小刺的“现身”,对于他们而言是一个巨大的发现,能更好地理解当时这个小动物如何生存,取食、游泳等生活方式。从而和跨越了5.2亿年后的虾的幼虫作对比,取到了决定性作用。

“显微技术运用到澄江生物群中,澄江生物群研究从以前的广度转变到深度。”刘煜说,从以前化石上提取的信息量仅为30%—40%,到现在通过显微CT技术可以达到80%—90%的信息量。

今天,澄江生物群犹如一幅优美的风景画,在侯先光教授敲开了看风景画的窗口后,刘煜和其实验室成员通过这扇窗由远及近慢慢欣赏这幅美景的每一寸。

和科学家聊一聊

初见刘煜,记者就被他研究古生物的热情所感染,也许在普通人看来,化石标本是一块冷冰冰的石头,在他眼里确是一个有温度、有生命的动物。

“几十次、上百次通过不断敲打每一块石头,才有可能发现一块化石标本。上千次的筛选才可能发现一块较好的化石。”刘煜说,这就是在垃圾堆里找宝藏。

“电脑扫描4个小时,一个月时间才能真正制作完成一个3D化石模型。”刘煜说,每完成一个模型都让我对古生物的研究充满更多的热情。

谈及如何保持对化石研究的热情?“成就感。”刘煜脱口而出。“我不是把研究当成一份工作,而是一份事业。”刘煜告诉记者,既然要做科研事业,就必须全身心投入,绞尽脑汁,经常睡不着觉。“做不出东西的时候,对自己不认可的压力让自己睡不着觉,逼自己一大早就去实验室干活;做出东西来之后,激动得睡不着觉,又是动力逼着自己去继续研究更多的内容。”

【实验室名片】

云南省古生物研究重点实验室,源于2001年3月由澄江生物群的发现者侯先光研究员创立的云南大学澄江动物群研究中心。

实验室瞄准学科前沿,利用云南地区丰富的古生物资源,搭建高水平的创新研究平台;以世界自然遗产“澄江生物群”为基点,利用现代古生物学技术手段,向古生物学其他研究领域辐射,探讨早期后生动物起源与演化、脊椎动物起源与演化及相关地球化学问题。

截至目前,实验室先后承担国家级、省部级等自然科学基金项目五十余项,在国际性专业学术杂志发表高水平研究论文近100篇,包括25篇发表在《Science》、《Nature》、《Nature Communications》、《Current Biology》、《PNAS》、《Geology》杂志,受到国际古生物学界的高度评价。

   云南网记者 杨萍 龙彦  视频制作 刘畅

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责任编辑:自然
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