熱埋藏實(shí)驗(yàn)揭示：云南蟲(chóng)化石并未“闖關(guān)”成功
在距今約5億年前的澄江生物群化石中，“云南蟲(chóng)類(lèi)”一直是個(gè)神秘的存在。自1991年首次報(bào)道以來(lái)，其獨(dú)特的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征引發(fā)了廣泛爭(zhēng)議，由于難以與現(xiàn)生動(dòng)物類(lèi)群直接對(duì)比，其分類(lèi)位置也長(zhǎng)期懸而未決。
近年來(lái)，有學(xué)者認(rèn)為，云南蟲(chóng)類(lèi)化石中保存了脊椎動(dòng)物特有的細(xì)胞級(jí)微觀構(gòu)造以及納米級(jí)蛋白微原纖維，進(jìn)而推斷“云南蟲(chóng)類(lèi)屬于脊椎動(dòng)物干群成員，屬于原始脊椎動(dòng)物。”
云南蟲(chóng)是否真的屬于脊椎動(dòng)物？化石中是否能保存軟骨細(xì)胞？這些問(wèn)題成為了國(guó)際古生物學(xué)界的研究熱點(diǎn)。
近日，西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系研究員韓健團(tuán)隊(duì)聯(lián)合英國(guó)及德國(guó)古生物學(xué)家，通過(guò)設(shè)計(jì)創(chuàng)新性熱埋藏實(shí)驗(yàn)對(duì)上述觀點(diǎn)提出質(zhì)疑，認(rèn)為軟骨細(xì)胞等超微結(jié)構(gòu)歷經(jīng)數(shù)億年地質(zhì)改造后，仍然以有機(jī)質(zhì)的形式被保存下來(lái)的可能性微乎其微，因此不能得出云南蟲(chóng)類(lèi)是脊椎動(dòng)物的結(jié)論。相關(guān)研究論文發(fā)表于《英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)刊B輯：生物科學(xué)》。
云南蟲(chóng)化石。
化石的“闖關(guān)游戲”
澄江化石群中的云南蟲(chóng)化石在億萬(wàn)年的地質(zhì)變遷中到底經(jīng)歷了什么，是回答上述質(zhì)疑的關(guān)鍵。論文第一作者、西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系博士生何凱悅將這一過(guò)程形象地比喻為一場(chǎng)跨越億年的“闖關(guān)游戲”。
云南蟲(chóng)類(lèi)鰓弓光學(xué)照片。
當(dāng)5億年前的海洋生物被快速埋藏而死亡后，“游戲”正式開(kāi)始。很快，動(dòng)物尸體被微生物分解，隨后動(dòng)物細(xì)胞中的各種“水解酶”會(huì)在幾天內(nèi)啟動(dòng)破壞程序。雖然澄江化石中許多軟軀體化石形態(tài)完整，但細(xì)胞結(jié)構(gòu)往往在這一階段早已被破壞。
接著進(jìn)入早期成巖“關(guān)卡”，如果此時(shí)生物的軟組織或埋藏階段僥幸殘留的細(xì)胞外部被披上一層礦物，或者原始物質(zhì)全部被礦物所替代，就會(huì)像穿上“鎧甲”般，使細(xì)胞結(jié)構(gòu)得以一定程度的保存。“但澄江化石中無(wú)機(jī)礦物的最小直徑為0.6微米到2微米，因此難以保留納米級(jí)別的精細(xì)構(gòu)造。”何凱悅解釋道。
隨著時(shí)間推移，化石埋藏深度逐漸增加，“游戲難度”指數(shù)級(jí)上升。在后期成巖“關(guān)卡”，隨著地層溫度升高，化石中殘留的有機(jī)質(zhì)在轉(zhuǎn)換為碳質(zhì)膜或干酪根結(jié)構(gòu)，是否能保留軟骨細(xì)胞及一些超微結(jié)構(gòu)，目前學(xué)界尚無(wú)定論。
實(shí)驗(yàn)揭開(kāi)“闖關(guān)結(jié)果”
為此，研究團(tuán)隊(duì)在掃描電鏡下進(jìn)行了精確選點(diǎn)和拉曼分析，成功將澄江化石的最大熱埋藏溫度限定在261°C至306°C之間。
緊接著，通過(guò)涉及多組熱埋藏實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)將多種樣本埋入高嶺土中，經(jīng)歷不同溫度梯度和時(shí)間的熱處理，以模擬澄江化石所經(jīng)歷的埋藏和熱變質(zhì)過(guò)程。除了新鮮脊椎動(dòng)物的軟骨組織，他們還引入了被譽(yù)為海洋“活化石”的文昌魚(yú)作為研究樣本，使研究結(jié)論更具有廣泛性。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)溫度在150°C至260°C之間時(shí)，軟骨細(xì)胞消失后殘留的軟骨陷窩與膠原纖維仍清晰可辨，到了270°C以后才開(kāi)始逐步瓦解。一旦突破280°C，它們便徹底消失，只留下一種均勻的無(wú)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)膜。不僅如此，即便溫度低于280°C，只要加熱時(shí)間足夠長(zhǎng)，這些結(jié)構(gòu)依然難逃被破壞的命運(yùn)。然而，動(dòng)物的宏觀特征在熱埋藏實(shí)驗(yàn)過(guò)程中卻保存下來(lái)，比如文昌魚(yú)的肌節(jié)、鰭等結(jié)構(gòu)。
“在長(zhǎng)期成巖作用與數(shù)億年來(lái)多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的復(fù)合影響下，云南蟲(chóng)類(lèi)化石中保存軟骨細(xì)胞結(jié)構(gòu)的可能性可以說(shuō)微乎其微。”韓健表示。
云南蟲(chóng)類(lèi)鰓弓處碳質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖像。圖片均由研究團(tuán)隊(duì)提供
化石分類(lèi)“金標(biāo)準(zhǔn)”
論文合作者、西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系教授舒德干進(jìn)一步指出，由于云南蟲(chóng)類(lèi)尚未發(fā)現(xiàn)脊索及脊椎動(dòng)物特有的原始脊椎和對(duì)眼等頭部構(gòu)造，因此將云南蟲(chóng)類(lèi)歸入脊椎動(dòng)物的說(shuō)法目前缺乏證據(jù)支持。
“熱埋藏實(shí)驗(yàn)揭示了一個(gè)重要現(xiàn)象，即在一定溫度范圍內(nèi)，化石的宏觀特征遠(yuǎn)比微觀結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定。”舒德干認(rèn)為，在研究寒武紀(jì)的化石分類(lèi)時(shí)，“宏觀特征比微觀特征更加可信”應(yīng)成為決定生物演化水平以及分類(lèi)地位的“金標(biāo)準(zhǔn)”。
值得一提的是，這項(xiàng)研究創(chuàng)新性地通過(guò)將石油地質(zhì)學(xué)的熱模擬實(shí)驗(yàn)方法引入到古生物學(xué)研究中，探討了熱成巖作用對(duì)化石保存的影響。韓健表示，這一交叉學(xué)科方法可以為人們深入了解化石的形成歷史、生物分類(lèi)以及演化過(guò)程提供新的研究思路和技術(shù)支撐。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1098/rspb.2025.0567
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