深瞳工作室出品
科技日?qǐng)?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(chǎng)的一尊古魚(yú)化石雕像前愣了神：“這些古魚(yú)萌態(tài)可掬的模樣，居然跟人類(lèi)這么像，它跟我們有什么關(guān)系？”
這也是長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家們思考的問(wèn)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(duì)“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(chǎng)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(jué)到有異樣，就會(huì)拿著石塊，問(wèn)不遠(yuǎn)處的中年男子。
“蓋老師，來(lái)看看這個(gè)！”
戴著草帽、挎著工具包的中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類(lèi)研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)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。”蓋志琨小心地托著石塊，笑容隨即浮現(xiàn)出來(lái)。
果不其然，此次他們?cè)诮骶沤鋵幍貐^(qū)發(fā)現(xiàn)了九江江夏魚(yú)化石。此魚(yú)屬于盔甲魚(yú)類(lèi)，是一種已經(jīng)滅絕的無(wú)頜類(lèi)物種。其獨(dú)特的“裂吻”特征，不僅豐富了科學(xué)家對(duì)古生物多樣性的認(rèn)識(shí)，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(yú)，源于一個(gè)世界性難題：頜起源。
要解開(kāi)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(kāi)的，但沒(méi)有頜。
這種生物，叫甲胄魚(yú)類(lèi)。
蓋志琨說(shuō)，甲胄魚(yú)類(lèi)中的盔甲魚(yú)類(lèi)是東亞特有種，目前只在中國(guó)和越南北部發(fā)現(xiàn)過(guò)。
經(jīng)過(guò)多年努力，他和團(tuán)隊(duì)于2002年在浙江長(zhǎng)興有了重大發(fā)現(xiàn)：這里曾經(jīng)有過(guò)最原始的真盔甲魚(yú)，后來(lái)它被命名為曙魚(yú)。
困難也隨之而來(lái)。“曙魚(yú)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(duì)其進(jìn)行CT掃描。”蓋志琨說(shuō)。
但可惜的是，當(dāng)時(shí)我國(guó)的同步輻射技術(shù)還沒(méi)有發(fā)展起來(lái)，研究只好暫時(shí)擱置了。
長(zhǎng)期以來(lái)，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(duì)古組織切片或者連續(xù)磨片的方法來(lái)進(jìn)行。中國(guó)科學(xué)院院士張彌曼就曾使用連續(xù)磨片技術(shù)，對(duì)肉鰭魚(yú)類(lèi)楊氏魚(yú)的頭部進(jìn)行精細(xì)重建，發(fā)現(xiàn)了它沒(méi)有內(nèi)鼻孔，是原始的肺魚(yú)，從而為尋找登陸?hù)~(yú)類(lèi)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(lái)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(zhuān)用CT、AI鑒定、X射線(xiàn)、三維建模等技術(shù)已逐漸應(yīng)用于古生物學(xué)研究。我國(guó)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(yú)化石。受訪者供圖
CT技術(shù)讓石頭開(kāi)口說(shuō)話(huà)
2006年，蓋志琨拿著曙魚(yú)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(yú)是位于現(xiàn)生的無(wú)頜類(lèi)和有頜類(lèi)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(cè)的，頜的起源發(fā)育所需要的中間階段。
由此，盔甲魚(yú)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(guó)智慧。
之前蓋志琨在工作中遇到缺乏研究?jī)x器的困境，如今也將有解決方案。
我國(guó)首臺(tái)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(lái)，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(zhǎng)劉煜也有同樣的感受。
在一臺(tái)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(duì)的并不是病人，而是穿越5億多年歷史的古生物化石。
通過(guò)給化石拍CT，劉煜將寒武紀(jì)化石的秘密一一揭開(kāi)。
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(guó)哈佛大學(xué)研究人員組成的國(guó)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(dòng)物——等刺蟲(chóng)拍出了多張較為完整的CT片，為學(xué)界研究節(jié)肢動(dòng)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(kāi)口說(shuō)話(huà)?！眲㈧险f(shuō)，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(shuō)。早前在國(guó)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(jí)別三維細(xì)微結(jié)構(gòu)的技術(shù)路線(xiàn)。“以前無(wú)論用針修還是畫(huà)圖等方法，都只能從化石表面看到二維的信息，通過(guò)顯微CT技術(shù)可以呈現(xiàn)出近乎完整的、三維立體的動(dòng)物圖像?！彼f(shuō)。
回國(guó)后，劉煜將當(dāng)時(shí)國(guó)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(dòng)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(dòng)物早期演化”項(xiàng)目獲得2020年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
圖為刺猬安吉魚(yú)（左）和俊卿清水魚(yú)（右）復(fù)原圖。 受訪者供圖
AI技術(shù)助力古生物識(shí)別
考古人員也期盼著科技能解開(kāi)筆石謎題。
筆石，是一類(lèi)生活在寒武紀(jì)至石炭紀(jì)海洋中的浮游或游泳型動(dòng)物，目前已滅絕。它們通常保存在頁(yè)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(duì)于地質(zhì)學(xué)家和古生物學(xué)家來(lái)說(shuō)，都是一個(gè)挑戰(zhàn)。
“想要解開(kāi)謎團(tuán)，大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)或許能幫上忙?！敝袊?guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所研究員徐洪河說(shuō)。在中國(guó)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(kāi)始對(duì)這些化石標(biāo)本進(jìn)行研究。
“我們?cè)敿?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(wàn)幅化石標(biāo)本圖像，并對(duì)這些圖像進(jìn)行像素級(jí)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(shuō)。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(guó)內(nèi)外推廣。
針對(duì)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(shí)別有別于常見(jiàn)的圖像分類(lèi)問(wèn)題?！毙旌楹诱f(shuō)，古生物本身在系統(tǒng)分類(lèi)上存在層級(jí)結(jié)構(gòu)，因其依據(jù)的形態(tài)特征非常細(xì)微，對(duì)專(zhuān)業(yè)性要求極高。
經(jīng)過(guò)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(duì)性地研發(fā)了適合于化石圖像分類(lèi)的算法。
“我們將這些成果用于筆石化石識(shí)別模型，針對(duì)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(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)86%左右?！毙旌楹优d奮地說(shuō)，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(shuō)，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(yè)巖氣勘探開(kāi)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(guó)發(fā)明專(zhuān)利和一項(xiàng)美國(guó)發(fā)明專(zhuān)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(shuō)，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(kù)，相關(guān)算法也應(yīng)用于部分其他常見(jiàn)化石門(mén)類(lèi)的識(shí)別軟件，并開(kāi)發(fā)了適用于移動(dòng)設(shè)備的應(yīng)用程序。
圖為等刺蟲(chóng)復(fù)原圖。受訪者供圖
X射線(xiàn)給古生物畫(huà)像
站在中國(guó)古動(dòng)物館內(nèi)世界唯一的董氏中華猛龍化石骨架面前，前來(lái)參觀的人們深感震撼的同時(shí)，也在腦補(bǔ)一個(gè)畫(huà)面：它究竟長(zhǎng)什么樣？
這個(gè)問(wèn)題，如今可通過(guò)X射線(xiàn)“畫(huà)”出答案。
“肌肉和內(nèi)臟等軟體在生物死亡后通常會(huì)很快腐爛，無(wú)法在地層中保存下來(lái)，因此僅通過(guò)硬體化石很難復(fù)原生物的真實(shí)外形。”中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所研究員王偉說(shuō)，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(yú)？
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(cè)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。”王偉說(shuō)，這是通過(guò)三維X射線(xiàn)熒光掃描儀對(duì)貴州龍化石進(jìn)行檢測(cè)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(shuō)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(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種有機(jī)物，有機(jī)物與周?chē)某练e物發(fā)生反應(yīng)，往往會(huì)在化石周?chē)膸r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(xiàn)索。
“常用的技術(shù)手段，如開(kāi)展一定面積的檢測(cè)，需要在化石及圍巖磨出一個(gè)平面，亟待探尋無(wú)損傷檢測(cè)手段。”王偉說(shuō)。
為解決上述問(wèn)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(guó)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(xiàn)熒光無(wú)損分析儀。
“這個(gè)儀器不僅不需要對(duì)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?duì)測(cè)量結(jié)果的影響，使得測(cè)量環(huán)境可與真空媲美。”王偉說(shuō)，儀器用激光束輔助光線(xiàn)測(cè)量化石等樣品表面的粗糙度，并對(duì)檢測(cè)到的X射線(xiàn)熒光進(jìn)行校正，從而使無(wú)損測(cè)量大型化石表面化學(xué)元素分布成為可能。王偉說(shuō)，該儀器可以對(duì)野外不可移動(dòng)樣品開(kāi)展無(wú)損檢測(cè)。
除了三維X射線(xiàn)熒光掃描儀，X射線(xiàn)正在幫科學(xué)家解開(kāi)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(duì)其進(jìn)行精確掃描和重建。為此，我國(guó)研發(fā)了首臺(tái)高分辨板狀化石專(zhuān)用X射線(xiàn)顯微層析成像設(shè)備Micro-CL，極大滿(mǎn)足了古生物學(xué)界的研究需求。通過(guò)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(lèi)群數(shù)據(jù)庫(kù)
采訪中，不少專(zhuān)家表示，研究古生物，是一把打開(kāi)“雙開(kāi)門(mén)”的鑰匙：不僅可以打開(kāi)“將今論古”之門(mén)，同時(shí)打開(kāi)的，還有“以古啟今”之門(mén)。
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(méi)有關(guān)系。
在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授肖益林看來(lái)，研究古生物從繁盛到滅絕的過(guò)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(duì)自然保護(hù)的興趣。
近日，肖益林研究團(tuán)隊(duì)與中國(guó)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(duì)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(wú)脊椎動(dòng)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(cè)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(duì)于這個(gè)問(wèn)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(guò)一段強(qiáng)烈的火山活動(dòng)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(chǎng)生物大滅絕，這些歷史數(shù)據(jù)為預(yù)測(cè)地球系統(tǒng)未來(lái)演化的模型提供了寶貴的邊界限定值。
中國(guó)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(duì)外發(fā)布最新成果，經(jīng)對(duì)江西會(huì)昌縣修路開(kāi)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(zhǎng)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(wèn)題。
古生物研究，還能看到未來(lái)。
“用生態(tài)系統(tǒng)研究的方法，推動(dòng)解決生物與環(huán)境之間的互動(dòng)問(wèn)題，是一個(gè)新方向?！敝袊?guó)科學(xué)院院士、古脊椎所研究員徐星說(shuō)，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(duì)未來(lái)的挑戰(zhàn)。
徐星說(shuō)，下一步不僅要推動(dòng)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(kāi)展古生物學(xué)研究，建立相關(guān)生物類(lèi)群的數(shù)據(jù)庫(kù)。
有一個(gè)好消息傳來(lái)，古脊椎所正在推進(jìn)與中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所以及自動(dòng)化所的合作攻關(guān)，未來(lái)將首次利用大科學(xué)裝置平臺(tái)開(kāi)展古生物學(xué)研究。
演化億萬(wàn)載，生命逐山高。
200多歲的古生物學(xué)是一門(mén)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(dòng)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(duì)于自然世界的認(rèn)識(shí)十分有限，但中國(guó)科學(xué)家正不斷努力拓展生物演進(jìn)歷程的認(rèn)知邊界。
