剧情简介
◎ 采写丨科技日报记者 魏依晨 ◎(⛺) 策划丨赵(👸)英淑 滕(🤪)继(🔟)濮 4月22日，游客钟林站在江西省武宁县澧溪镇(💆)化石广场的(😑)一尊古鱼化石雕像前愣了神(📚)：“这些古鱼萌态可掬的模样，居然跟人类这么像，它跟我们有什么关系？” 江西武(🐮)宁县澧溪镇化石广场上的化石雕像。 这也(🆔)是长期以来，科学家们思考的问(🛌)题。化石就像记录(🧞)着地球历史的文字，研究古生(🌾)物化石就是(🦆)不断解读这些“文字”，让人们(👨)能更系统地了解生命演化、地质变迁。可喜(🚧)的是，由于科技的加持，科学家们加深了对“文字”的理解，逐渐还原了(🦌)灭绝生物的真(💉)实面貌。 1 机械处理(🍔)化石不(👒)再是首选 2023年5月的一天，几位年轻的古(🐪)生物研究人员半蹲在土石坑内，小心翼翼地用铲子挖掘土石。他们挖出一个个大小不一、凹凸不平的石块，拿在手里摩挲着、观察着，一旦感觉到有异样，就会拿着石块，问不远处的中年男子。 “盖老师，来看看这个！” 戴着草帽、挎着工具包的中国科学院古脊椎动物与古人类研究所(🚲)（以下简称古脊椎所）研究员盖志琨，也正在(🚘)端详一块石头。 “这次应是又有新发现了。”盖志琨小心地托着(⛎)石块，笑容随即(😁)浮现出来。 果不其然，此次他们在江西九江武宁地区发现了九江江夏鱼化石。此鱼属于盔甲鱼类，是一种已经灭绝的(🌼)无颌类物种。其独特的(🥛)“裂吻”特(💨)征，不仅丰富了科学家对古(🚨)生物多样性的认识，更揭示了生物演化历程中更深层次信息。 九江江夏鱼化石。 之所(🗂)以要寻找(👻)这些古鱼，源于一个世界性难题：颌(🗼)起源。 要解开难题首先要找到一(🌆)种生物，它的两个鼻囊或者鼻孔是分开的，但没有颌。 这种生物，叫(⛅)甲胄鱼类(🌅)。 盖志琨说，甲胄鱼类中的盔甲鱼(⏩)类是东亚特有种，目前只在中国和越(🥐)南北部发现过。 经过多年努力，他和团队于2002年在浙江长兴有了重大(🧜)发现：这里曾经(🥎)有过最原始的真盔甲鱼，后(🐨)来(🔼)它被命名为曙鱼。 困难也随之而来。“曙鱼的标本只有指(🧡)甲盖大，需要用大科学装置同步辐射装置对其进行CT扫(🉐)描。”盖志琨说。 但可惜的是，当时我国的同步辐射技术还没有发展起来，研究只好暂时搁置了(🕖)。 长期以来，古生物学家想要进一步研究化石内部精细结构，一(🔽)般采用对古(🚞)组织切片或(🛵)者连续磨片的方法来进行。中国科学院院士张弥曼就曾使用连续磨片技术，对肉鳍鱼类(🔁)杨氏鱼的头部进行精细重建，发现了它(🏿)没有内鼻孔，是原始的(😝)肺鱼，从而为寻找登陆鱼类的直接祖先作出了突出贡(😙)献。 如果化石样本数量很多，可以用这种机械处理法操作。但(😙)如果化石本来就稀有，这种既耗时又破坏(👔)样(👗)本(🐻)的方法就不再是首选。 如今，专用CT、AI鉴定、X射线、三维建模等技术已逐渐应用于古生物学研究。我国科学家不断攻坚克难，重建古生物演化历史，产出了诸多重要原创性科研(📮)成果。 2 CT技术让石头开口说(💇)话 2006年，盖志琨拿着曙鱼标本到瑞士的光(🍯)源中心做同步辐射扫描。 扫描发现，盔甲(💋)鱼是位于现生的无颌(😋)类和有颌类中间环节的物种。而这个环节就是发育生物学家所预测的，颌的起源发育所需要的中间阶段。 由此，盔甲鱼为颌的起源提供了可靠的化石证据。盖志琨团队为解(🐗)决颌起源的世界难题提供了中国智慧。 之前盖志琨在工作(⛴)中遇到缺乏研究仪器的困境，如今也将有解决(➡)方案。 我国首台高能同步辐射光源（(🎫)HEPS）预(💯)计将于2024年发射第一束光，2025年完成交付并投入使用。 在盖志琨看来，技术手段革新可以(🎗)成为科研的“加速器”。 云南省古生物研究重点实验室主任、云南大学古生物研究(🏮)院副院长(👇)刘煜也有同样的感受(🔬)。 在一台显微CT设备前，身着一(🎐)袭白大褂的刘煜像极了(🌊)医生。但他(🉐)面对的并不是病人，而是穿越5亿多年历史的古生物化石。 通(🍕)过给化石拍CT，刘煜将寒武纪化(😕)石的秘密一一揭开。 2023年，由云南大学古生(🚙)物研究(📉)院、澄江化石地世界自然遗产博(🆎)物馆、美国哈佛大学研究人员组成的国(🆙)际科研团队，运用显微CT断层扫描等先进技术手段，给寒武纪节肢动物——等刺虫拍出了多张较为完整的CT片(🎭)，为学界研究节肢动物的早(🤙)期演化提供了新的(📚)形态(📙)学证据。 等刺虫复原图(🎋)。 “拍CT相当于让化石开口说话。”刘煜说(💊)，和医院给病人拍CT一样，给化石拍CT，可将石头表面和内部信息进行三维建模。 “这是以前难以做到的。”刘煜说。早前在国外学习工作期间，刘煜就尝试给澄江化石做CT扫描，摸索出一套可以清晰呈(🦋)现澄江化石微米级别三维细微结构的技术路线。“以前无论用针修还是画图等方法，都只能从化石表面看到二维的信息，通过显微CT技术可以呈现出近乎完整的、三维立体的动(💸)物图像。”他说。 回国后，刘煜将当时国际生(🦍)物学研究领域中最前沿的荧光(👯)显微镜、电(🛏)子扫描显微(🧚)镜和显微CT等先进研(🧦)究手段(🌵)和方法，用于澄江动物群化石标本的研究。 显微CT技术(👈)突破了传统光学显微镜的二维形态学研究局限，实现了古生(😔)物研究技术从“0”到“1”的突破，从化石(🥤)中获得的信息量比之前增加了大约60%到90%。 先进技术的运(🎊)用让澄江化石研究更加深入。2021年底，刘煜团队凭借“寒武纪特异保存化石与节肢动物早期演化”项目(🀄)获得2020年度国家自然科学奖二等奖。 3 AI技术助力古生物识别 考古人员也期盼着科技能解开笔石谜题。 笔石，是一类生活在寒武纪至石炭纪海洋中的浮游或游泳型动物，目前已灭绝。它们通(📦)常保存在页岩之中，不同的笔石物种蕴藏着不同时期的秘密。 然而，笔石化石往往个体较小(🙊)，不同物种的形态差别十分微(🏆)小。如何准确、快速鉴定笔石化(👊)石，对于地质学家和古生物学家来说，都是一(🏿)个挑战。 “想要解开谜团，大数据(🤚)与人工智能技术或许能帮上忙。”中国科学(🎢)院南京地质古生物研究所研究员徐洪河说。在中国科学院南京地质古生物研究所收藏着大量化石标本，他和团队着手开始对这些化石标本进行研究。 “我们详细采集了1500块笔石化石标本的科学信息(🥢)，拍摄了(😇)大约5万幅化石标本图像，并对这些图像(🌺)进行像素级标注，创建了笔石化石标本科学权威的数据集。”徐洪河说。其研究团队还(🛶)提出了化石标本元数据标准，并将数据集的规范与(🕍)标准向国内外推广。 针对化石标本的多模态数据集，徐洪河团队(🚱)提出了人工智能古生物学的概念。“古生物化石的识别有别于常见的图像分类问题。”徐洪河(🎲)说，古生物本身在系统分类上存在层级结构，因其依据的(👾)形态特征非常细微，对专业(🧀)性要求极高。 经过两年多的时间，研(🥊)究团队完成了数据集准备、标注、模(➡)型训练，有针对性地研发了适合于化石图像分类的算法。 “我们将(🎎)这些成果用于笔石化石识别模型，针对113种奥陶纪和(🕐)志留纪重要笔石属(💠)种，所训练的人工智能深度学习模型识别准确率可达86%左右。”徐洪河兴奋地说，这已远高于一般的领域专家(🐣)。 “将最新的人工智能与深度学习(🚆)算法融入传统的古生物学研究之(🧓)中，这个方法非常新颖。”徐洪河说，此项研究打造了一种全新的学科交叉形式，其研究成果可直接(👝)服务于页岩气勘探开发(🏾)。 由于研究思路与方法均(🍊)为首创，徐洪河团队因此取得了一(🈶)项中国发明专(🍿)利和一项美国发明专利。 “这项研究是古生(🚩)物学、计算科学、信息科学的一次深度交叉与融(🗡)合。”徐洪河说，这套方法已经部署在地层古生物大数据中心的化石本体数据库，相关算法也应用于部分其(🚧)他常见化石门类的识(💯)别软(❗)件，并开发了适用于移动设备的应用程(🏳)序。 4 X射线给古生物画像 站在中国古动物馆内世界唯一的董氏中华(🦔)猛龙化石(🏵)骨架面前，前(📽)来(🌜)参观的人们深感震撼的同时，也在脑补一个(🈲)画面(📝)：它究竟长什么样？ 这个问题，如今可通过X射线“画”出答案。 “肌肉和内脏等软体在生物死亡后通常(🤼)会很快腐(🐏)烂，无法在地层中保存下来，因此仅通过硬体化石很难复原(📱)生物的真实外形。”中国科学院南(🐵)京地质古生物研究所研究员王伟说，活跃(👳)在2亿多年前的贵州龙，它们是有强健(💋)肌肉还是一身肥膘？样貌是像(😒)胸前有个大气囊的(🚫)蜥蜴，抑或是像有个大肚子的鳄鱼？ 王(👾)伟向记(🥞)者展示了两张贵州龙化石示意图。这两张图看上去很相似，实则各有乾坤。 贵州龙化石示意图。 “左边为待测样品贵州龙化石，右边为钙元素含量分布图，钙元素含(♋)量越高，在图中显(🛤)示的颜色越深。”王伟说，这是通过三维X射线荧光扫描仪(👾)对贵州龙化石进行检测(🦂)并得到元素分(👳)布的示意图。经初步研(😞)究，贵州龙前胸部相比腹部，钙元素分布面积更广，说明其前胸部软(👠)体可(🥝)能更加膨大。 生物死亡(🏚)后埋藏在沉积物（如泥沙）中，其肌肉、内脏在腐烂过程中会产生各(👦)种有机物，有机物与周围的沉积物发生反应，往往会在化石周围的岩(🎟)石中留下一些化学元(😹)素信息。因此，可以用化(🐃)石及其围岩表面的化学元素分布，寻找这些生物软体的形状或轮廓的线索。 “常用的技(🥪)术手段，如开展一定面积的检测，需(🕗)要在化石(🎠)及围岩磨出一个平面，亟待探寻无损伤检测手段。”王伟说。 为解决上述问题，王伟课题组基于多方(🖍)面的创新设计，改进(🍰)了目前国际上最先进的大幅面材料表面化学元素扫描设备存在的缺陷，研制了可以分析不规则、立体化石表面的化学元素分布(🔙)的X射线荧光无损分(🤸)析仪。 “这个仪器不仅不需要对化石样品进行磨平破坏，而且还增加了惰性气体喷气口，可降低大气中的氧气、氮气对(📢)测量结果的影响，使得测量环境可与真空媲美。”王伟说，仪器用激光束辅助光(🤠)线测量化石等样(💔)品表面的粗(💁)糙度，并对检测到的X射线(🏵)荧光进行校正，从而使无损测量大型化石表(🥃)面化学元素分布成为(😞)可能。王伟(🌴)说，该仪器可以对野外不可移动样品开展无损检测。 三维X射线(😍)荧光扫描仪。 除了三维X射线荧光扫描仪，X射线正在帮科学家解开更多化石谜题。 热河生物群的大多数化石为(📑)压扁(🔥)的板状，普通CT设(🧐)备很难对其进行精确扫描和重建。为此，我国研发了首(🛥)台高分辨板状化石专用X射线显微层析成像设备Micro-CL，极大满足了古生物学界的研究需求。通过这些高精度的成像技术，科学家们能够更深入地探索古生物的内部结构，从而为揭示生物多(🔦)样性的(😝)历史和演(💉)化提供关键证据。 5 建立生物类群(🎨)数据库 采访中，不少专家(🤹)表示，研究古生物，是一把打开“双开门”的钥匙：不仅可以打开“将今论古”之门，同时(👁)打开的，还有“以古启今”之门。 低碳环保、节能减排、环境治(🕕)理……这些领域似乎和古生物研究没有关系。 在中国(💻)科学技术大学教授肖益林看来，研究古生物(🖌)从繁盛到灭绝的过程具有重要意义，不仅能帮助我们理解地球历史、生命演化等，还能激发公众对自然保护的兴趣。 近日，肖益林研究团队与中国科学院南京地质古生物研究(💾)所及合肥工业大学合作，对(🦃)华(🏣)南桂林地区两个(🐱)典型的晚泥盆世海相碳酸盐剖面进行研究发现，全球气候变冷导致了3.7亿(🎎)年前的生物大灭绝事件，约(🅱)80%的海洋无脊椎动物在这次灾难中灭绝。 还有(🖌)一个相似例子：2019年6月(😸)，夏威夷冒纳罗亚观测站记录到大气中二氧化碳浓度再创(🚋)新(🐋)高，达到414.7ppm。如果这一浓度持续升高(⛑)，地球环境将发生怎样的变(🕕)化？对于这个问题，科学家从化石(⬜)的记录中找到了部分答案。 三叠纪末期，地(🚏)球曾经(🐣)历过一段强烈的火山活动时期，经研究化(〰)石估算，当时的大气二氧(🚪)化碳浓度一度高达4400ppm，地球因此经历了一场生物大灭绝，这些历史数据为预测地球系统未来演化的模型提供(🙋)了宝贵的边界限定值。 中国地质大学（北京）副教授邢立达每年有七个多月的时间都在荒野之中，寻找着散布在世界各地的恐龙足迹化石。 今年2月底，邢立达研究团队对外发布最新成果，经对江西会昌县修路开挖时发现的上千块化石碎片进行清理修复，发现了甲龙亚科新种——英良达泰龙。 “恐龙有着1.6亿年漫长的存在时间，特别适合解释地球(👜)生命演化。”邢立达认为，生命演(💅)化是古生物学的终极问题。 古生物研究，还能看到未来。 “用生态系统研究的方法，推动解决生物与环境之间的互动问题，是一个新方向。”中(👔)国科学(🈴)院院士、古脊椎所研究员徐星说(💇)，用生态系统研究的方法，恢复重建古生态系统，可(🦏)以帮助我们更好地面对未来的挑战。 徐星说，下一步不仅要推动古生物学与现代生物学融合发展，还要基于大数据开展古生物学研究，建立相关生物类群的数据库。 有一个好消息传来，古脊椎所正在推进与中国科学院高能物理研究所以及自动化所的合作攻关，未来将首次利用大科(🌔)学装置平台开展古生物学研究。 演化亿万载，生命逐(🤖)山高。 200多岁的古生物学是一门古老的学(🐿)科。如今，科技为古生物学的研究注入了新的动(😭)力。高精尖的科学技术，不仅让我们从化石中看(🎃)清生命的痕迹，更让我们逐渐看清远古时代古生(💏)物演进(⏱)历程。 相较于浩瀚宇(🎛)宙，我们对于自然世界的认识十分有(📕)限，但中国科学家正不断努力拓展生物演进历程的认知边界。 来源： 科(😍)技日(♋)报
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