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我给化石拍CT

   2023-07-26 人民日报海外版
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核心提示:图为在云南省昆明市晋宁区梅树村地区发现的一块化石,黑点为一种名为软舌螺的古生物。新华社记者 陈欣波摄

图为在云南省昆明市晋宁区梅树村地区发现的一块化石,黑点为一种名为软舌螺的古生物。新华社记者 陈欣波摄

  刘煜在工作中。图源:“云大青年”公众号

  在云南省玉溪市澄江化石地世界自然遗产博物馆拍摄的奇虾化石。新华社记者 陈欣波摄

在一台显微CT设备前,穿白大褂的刘煜俨然一位医生,只不过他要面对的不是病人,而是穿越5亿多年历史的古生物化石。

将CT扫描应用在寒武纪化石研究上,刘煜做出了探索。

揭开等刺虫化石的形态秘密

刘煜今年43岁,2016年从德国归国后在母校云南大学工作,目前担任教育部“云南重大生物演化事件及古环境”国际合作联合实验室中方副主任、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。

前段时间,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。

一直以来,节肢动物的起源与演化都是学界研究热点。等刺虫是生活在约5.2亿年前寒武纪时期一类干群节肢动物,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。

“就像是医院给病人拍CT一样,我们给化石拍CT,通过X光穿透石头后,把保存在石块表面和内部的信息一并提取出来,经过计算机处理得到接近完整的三维信息。”刘煜说。

研究表明,等刺虫的前附肢及其后的14对附肢已出现明显的形态和功能分化。其中,前附肢为单肢型,由多个连接在一起的肢节组成,肢节背面有簇状尖刺,能有效捕捉猎物。紧接前附肢后的4对附肢,肢节粗壮、内侧有成对的刺、末端呈钩状,可对捉到的猎物做进一步肢解处理,以有效进食。后部10对躯干附肢,内肢分节多、缺少内侧的刺和末端爪,外肢发达、有成列排布的多个片状结构。

“通过这些CT数据,我们可以清晰地看到等刺虫的外形细节,据此推断,等刺虫的前附肢及其后的4对附肢形成了功能性的头部,而躯干附肢为运动附肢,有游泳和爬行功能。”刘煜说。

研究“地球的历史”

2006年,26岁的刘煜远赴德国乌尔姆大学攻读博士学位。3年后,博士毕业的他在德国慕尼黑大学从事教学研究工作。2016年上半年,刘煜通过了德国教育系统最高级别的教学及科研考核,具备在德语区任一高校申请终身全职教授的资质。

但刘煜做出了一个重要决定:回国。

这一年9月,刘煜回到云南大学,担任古生物研究重点实验室常务副主任。对他来说,这个团队并不陌生,有一直支持自己的老师,澄江古生物化石群的发现者——侯先光研究员,还有昆明周边非常丰富的寒武纪化石资源。

“这些都是吸引我回国搞研究的主要因素,让我很心动。”刘煜回忆。

早在德国学习工作期间,刘煜就对澄江化石做了CT扫描的尝试,摸索出一套可以清晰呈现澄江化石微米级别的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。”他说。

“我们做古生物研究,没有材料就什么都做不了。而从地质历史时期一直到现在,云南都一直孕育着生物多样性,拥有大量保存较好并有重大科研意义的化石。”一想到回云南做研究,探索地球的历史,刘煜非常兴奋。

让澄江化石研究走向深处

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,引入澄江动物群化石标本的研究当中。

利用显微CT扫描结合计算机三维建模和虚拟切割技术,不仅可以观察到被围岩包埋或被动物化石的其他结构覆盖的、用钢针手工处理难以展露的精细构造,详细了解寒武纪早期各种动物的形态细节,而且还最大限度保护澄江化石的完整性,使它们在研究过程中尽可能少地遭受人为破坏。

侯先光说,显微CT技术让曾经嵌在石头当中的标本从二维变成了更加立体直观的三维,从化石上提取的信息量也比原先的30%提升了2-3倍。

2016年,刘煜团队报道了呈三维立体保存的2毫米无节幼虫类节肢动物的最早化石记录。在澄江化石群长达30多年的研究历史中,这样的研究尚属首次。

先进技术的运用让澄江化石研究从以往的广度转向深度发展。2021年11月3日,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。刘煜觉得,自己的努力是值得的。

不久前,刘煜刚刚结束为期三周的英国学术交流活动。他说,让国际同行纷纷点赞的是,中国在古生物研究方面不仅有一流的材料、设备和学术环境,还形成了具有相当国际影响力的老中青人才梯队,正持续产生原创性学术研究成果。

(据新华社电)


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