深瞳工作室出品
科技日報記者 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)化石廣場的一尊古魚化石雕像前愣了神：“這些古魚萌態(tài)可掬的模樣，居然跟人類這么像，它跟我們有什么關(guān)系？”
這也是長期以來，科學家們思考的問題?；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，科學家們加深了對“文字”的理解，逐漸還原了滅絕生物的真實面貌。
圖為江西省武寧縣澧溪鎮(zhèn)化石廣場上的化石模型。受訪者供圖
機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。他們挖出一個個大小不一、凹凸不平的石塊，拿在手里摩挲著、觀察著，一旦感覺到有異樣，就會拿著石塊，問不遠處的中年男子。
“蓋老師，來看看這個！”
戴著草帽、挎著工具包的中國科學院古脊椎動物與古人類研究所（以下簡稱古脊椎所）研究員蓋志琨，也正在端詳一塊石頭。
“這次應是又有新發(fā)現(xiàn)了?！鄙w志琨小心地托著石塊，笑容隨即浮現(xiàn)出來。
果不其然，此次他們在江西九江武寧地區(qū)發(fā)現(xiàn)了九江江夏魚化石。此魚屬于盔甲魚類，是一種已經(jīng)滅絕的無頜類物種。其獨特的“裂吻”特征，不僅豐富了科學家對古生物多樣性的認識，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，源于一個世界性難題：頜起源。
要解開難題首先要找到一種生物，它的兩個鼻囊或者鼻孔是分開的，但沒有頜。
這種生物，叫甲胄魚類。
蓋志琨說，甲胄魚類中的盔甲魚類是東亞特有種，目前只在中國和越南北部發(fā)現(xiàn)過。
經(jīng)過多年努力，他和團隊于2002年在浙江長興有了重大發(fā)現(xiàn)：這里曾經(jīng)有過最原始的真盔甲魚，后來它被命名為曙魚。
困難也隨之而來?！笆雉~的標本只有指甲蓋大，需要用大科學裝置同步輻射裝置對其進行CT掃描?！鄙w志琨說。
但可惜的是，當時我國的同步輻射技術(shù)還沒有發(fā)展起來，研究只好暫時擱置了。
長期以來，古生物學家想要進一步研究化石內(nèi)部精細結(jié)構(gòu)，一般采用對古組織切片或者連續(xù)磨片的方法來進行。中國科學院院士張彌曼就曾使用連續(xù)磨片技術(shù)，對肉鰭魚類楊氏魚的頭部進行精細重建，發(fā)現(xiàn)了它沒有內(nèi)鼻孔，是原始的肺魚，從而為尋找登陸魚類的直接祖先作出了突出貢獻。
如果化石樣本數(shù)量很多，可以用這種機械處理法操作。但如果化石本來就稀有，這種既耗時又破壞樣本的方法就不再是首選。
如今，專用CT、AI鑒定、X射線、三維建模等技術(shù)已逐漸應用于古生物學研究。我國科學家不斷攻堅克難，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。
圖為九江江夏魚化石。受訪者供圖
CT技術(shù)讓石頭開口說話
2006年，蓋志琨拿著曙魚標本到瑞士的光源中心做同步輻射掃描。
掃描發(fā)現(xiàn)，盔甲魚是位于現(xiàn)生的無頜類和有頜類中間環(huán)節(jié)的物種。而這個環(huán)節(jié)就是發(fā)育生物學家所預測的，頜的起源發(fā)育所需要的中間階段。
由此，盔甲魚為頜的起源提供了可靠的化石證據(jù)。蓋志琨團隊為解決頜起源的世界難題提供了中國智慧。
之前蓋志琨在工作中遇到缺乏研究儀器的困境，如今也將有解決方案。
我國首臺高能同步輻射光源（HEPS）預計將于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，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實驗室主任、云南大學古生物研究院副院長劉煜也有同樣的感受。
在一臺顯微CT設備前，身著一襲白大褂的劉煜像極了醫(yī)生。但他面對的并不是病人，而是穿越5億多年歷史的古生物化石。
通過給化石拍CT，劉煜將寒武紀化石的秘密一一揭開。
2023年，由云南大學古生物研究院、澄江化石地世界自然遺產(chǎn)博物館、美國哈佛大學研究人員組成的國際科研團隊，運用顯微CT斷層掃描等先進技術(shù)手段，給寒武紀節(jié)肢動物——等刺蟲拍出了多張較為完整的CT片，為學界研究節(jié)肢動物的早期演化提供了新的形態(tài)學證據(jù)。
“拍CT相當于讓化石開口說話?！眲㈧险f，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)部信息進行三維建模。
“這是以前難以做到的。”劉煜說。早前在國外學習工作期間，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)澄江化石微米級別三維細微結(jié)構(gòu)的技術(shù)路線?！耙郧盁o論用針修還是畫圖等方法，都只能從化石表面看到二維的信息，通過顯微CT技術(shù)可以呈現(xiàn)出近乎完整的、三維立體的動物圖像?！彼f。
回國后，劉煜將當時國際生物學研究領(lǐng)域中最前沿的熒光顯微鏡、電子掃描顯微鏡和顯微CT等先進研究手段和方法，用于澄江動物群化石標本的研究。
顯微CT技術(shù)突破了傳統(tǒng)光學顯微鏡的二維形態(tài)學研究局限，實現(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%。
先進技術(shù)的運用讓澄江化石研究更加深入。2021年底，劉煜團隊憑借“寒武紀特異保存化石與節(jié)肢動物早期演化”項目獲得2020年度國家自然科學獎二等獎。
圖為刺猬安吉魚（左）和俊卿清水魚（右）復原圖。 受訪者供圖
AI技術(shù)助力古生物識別
考古人員也期盼著科技能解開筆石謎題。
筆石，是一類生活在寒武紀至石炭紀海洋中的浮游或游泳型動物，目前已滅絕。它們通常保存在頁巖之中，不同的筆石物種蘊藏著不同時期的秘密。
然而，筆石化石往往個體較小，不同物種的形態(tài)差別十分微小。如何準確、快速鑒定筆石化石，對于地質(zhì)學家和古生物學家來說，都是一個挑戰(zhàn)。
“想要解開謎團，大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)或許能幫上忙?！敝袊茖W院南京地質(zhì)古生物研究所研究員徐洪河說。在中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所收藏著大量化石標本，他和團隊著手開始對這些化石標本進行研究。
“我們詳細采集了1500塊筆石化石標本的科學信息，拍攝了大約5萬幅化石標本圖像，并對這些圖像進行像素級標注，創(chuàng)建了筆石化石標本科學權(quán)威的數(shù)據(jù)集?！毙旌楹诱f。其研究團隊還提出了化石標本元數(shù)據(jù)標準，并將數(shù)據(jù)集的規(guī)范與標準向國內(nèi)外推廣。
針對化石標本的多模態(tài)數(shù)據(jù)集，徐洪河團隊提出了人工智能古生物學的概念?！肮派锘淖R別有別于常見的圖像分類問題?！毙旌楹诱f，古生物本身在系統(tǒng)分類上存在層級結(jié)構(gòu)，因其依據(jù)的形態(tài)特征非常細微，對專業(yè)性要求極高。
經(jīng)過兩年多的時間，研究團隊完成了數(shù)據(jù)集準備、標注、模型訓練，有針對性地研發(fā)了適合于化石圖像分類的算法。
“我們將這些成果用于筆石化石識別模型，針對113種奧陶紀和志留紀重要筆石屬種，所訓練的人工智能深度學習模型識別準確率可達86%左右?！毙旌楹优d奮地說，這已遠高于一般的領(lǐng)域?qū)＜摇?/p>
“將最新的人工智能與深度學習算法融入傳統(tǒng)的古生物學研究之中，這個方法非常新穎。”徐洪河說，此項研究打造了一種全新的學科交叉形式，其研究成果可直接服務于頁巖氣勘探開發(fā)。
由于研究思路與方法均為首創(chuàng)，徐洪河團隊因此取得了一項中國發(fā)明專利和一項美國發(fā)明專利。
“這項研究是古生物學、計算科學、信息科學的一次深度交叉與融合。”徐洪河說，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，相關(guān)算法也應用于部分其他常見化石門類的識別軟件，并開發(fā)了適用于移動設備的應用程序。
圖為等刺蟲復原圖。受訪者供圖
X射線給古生物畫像
站在中國古動物館內(nèi)世界唯一的董氏中華猛龍化石骨架面前，前來參觀的人們深感震撼的同時，也在腦補一個畫面：它究竟長什么樣？
這個問題，如今可通過X射線“畫”出答案。
“肌肉和內(nèi)臟等軟體在生物死亡后通常會很快腐爛，無法在地層中保存下來，因此僅通過硬體化石很難復原生物的真實外形?！敝袊茖W院南京地質(zhì)古生物研究所研究員王偉說，活躍在2億多年前的貴州龍，它們是有強健肌肉還是一身肥膘？樣貌是像胸前有個大氣囊的蜥蜴，抑或是像有個大肚子的鱷魚？
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，實則各有乾坤。
“左邊為待測樣品貴州龍化石，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，這是通過三維X射線熒光掃描儀對貴州龍化石進行檢測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)臟在腐爛過程中會產(chǎn)生各種有機物，有機物與周圍的沉積物發(fā)生反應，往往會在化石周圍的巖石中留下一些化學元素信息。因此，可以用化石及其圍巖表面的化學元素分布，尋找這些生物軟體的形狀或輪廓的線索。
“常用的技術(shù)手段，如開展一定面積的檢測，需要在化石及圍巖磨出一個平面，亟待探尋無損傷檢測手段?！蓖鮽フf。
為解決上述問題，王偉課題組基于多方面的創(chuàng)新設計，改進了目前國際上最先進的大幅面材料表面化學元素掃描設備存在的缺陷，研制了可以分析不規(guī)則、立體化石表面的化學元素分布的X射線熒光無損分析儀。
“這個儀器不僅不需要對化石樣品進行磨平破壞，而且還增加了惰性氣體噴氣口，可降低大氣中的氧氣、氮氣對測量結(jié)果的影響，使得測量環(huán)境可與真空媲美?！蓖鮽フf，儀器用激光束輔助光線測量化石等樣品表面的粗糙度，并對檢測到的X射線熒光進行校正，從而使無損測量大型化石表面化學元素分布成為可能。王偉說，該儀器可以對野外不可移動樣品開展無損檢測。
除了三維X射線熒光掃描儀，X射線正在幫科學家解開更多化石謎題。
熱河生物群的大多數(shù)化石為壓扁的板狀，普通CT設備很難對其進行精確掃描和重建。為此，我國研發(fā)了首臺高分辨板狀化石專用X射線顯微層析成像設備Micro-CL，極大滿足了古生物學界的研究需求。通過這些高精度的成像技術(shù)，科學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)。
建立生物類群數(shù)據(jù)庫
采訪中，不少專家表示，研究古生物，是一把打開“雙開門”的鑰匙：不僅可以打開“將今論古”之門，同時打開的，還有“以古啟今”之門。
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有關(guān)系。
在中國科學技術(shù)大學教授肖益林看來，研究古生物從繁盛到滅絕的過程具有重要意義，不僅能幫助我們理解地球歷史、生命演化等，還能激發(fā)公眾對自然保護的興趣。
近日，肖益林研究團隊與中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所及合肥工業(yè)大學合作，對華南桂林地區(qū)兩個典型的晚泥盆世海相碳酸鹽剖面進行研究發(fā)現(xiàn)，全球氣候變冷導致了3.7億年前的生物大滅絕事件，約80%的海洋無脊椎動物在這次災難中滅絕。
還有一個相似例子：2019年6月，夏威夷冒納羅亞觀測站記錄到大氣中二氧化碳濃度再創(chuàng)新高，達到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？對于這個問題，科學家從化石的記錄中找到了部分答案。
三疊紀末期，地球曾經(jīng)歷過一段強烈的火山活動時期，經(jīng)研究化石估算，當時的大氣二氧化碳濃度一度高達4400ppm，地球因此經(jīng)歷了一場生物大滅絕，這些歷史數(shù)據(jù)為預測地球系統(tǒng)未來演化的模型提供了寶貴的邊界限定值。
中國地質(zhì)大學（北京）副教授邢立達每年有七個多月的時間都在荒野之中，尋找著散布在世界各地的恐龍足跡化石。
今年2月底，邢立達研究團隊對外發(fā)布最新成果，經(jīng)對江西會昌縣修路開挖時發(fā)現(xiàn)的上千塊化石碎片進行清理修復，發(fā)現(xiàn)了甲龍亞科新種——英良達泰龍。
“恐龍有著1.6億年漫長的存在時間，特別適合解釋地球生命演化。”邢立達認為，生命演化是古生物學的終極問題。
古生物研究，還能看到未來。
“用生態(tài)系統(tǒng)研究的方法，推動解決生物與環(huán)境之間的互動問題，是一個新方向?！敝袊茖W院院士、古脊椎所研究員徐星說，用生態(tài)系統(tǒng)研究的方法，恢復重建古生態(tài)系統(tǒng)，可以幫助我們更好地面對未來的挑戰(zhàn)。
徐星說，下一步不僅要推動古生物學與現(xiàn)代生物學融合發(fā)展，還要基于大數(shù)據(jù)開展古生物學研究，建立相關(guān)生物類群的數(shù)據(jù)庫。
有一個好消息傳來，古脊椎所正在推進與中國科學院高能物理研究所以及自動化所的合作攻關(guān)，未來將首次利用大科學裝置平臺開展古生物學研究。
演化億萬載，生命逐山高。
200多歲的古生物學是一門古老的學科。如今，科技為古生物學的研究注入了新的動力。高精尖的科學技術(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古時代古生物演進歷程。
相較于浩瀚宇宙，我們對于自然世界的認識十分有限，但中國科學家正不斷努力拓展生物演進歷程的認知邊界。
