在距今約5億年前的澄江生物群化石中，“云南蟲類”一直是個神秘的存在。自1991年首次報道以來，其獨特的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征引發(fā)了廣泛爭議，由于難以與現(xiàn)生動物類群直接對比，其分類位置也長期懸而未決。
近年來，有學(xué)者認為，云南蟲類化石中保存了脊椎動物特有的細胞級微觀構(gòu)造以及納米級蛋白微原纖維，進而推斷“云南蟲類屬于脊椎動物干群成員，屬于原始脊椎動物。”
云南蟲是否真的屬于脊椎動物？化石中是否能保存軟骨細胞？這些問題成為了國際古生物學(xué)界的研究熱點。
近日，西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系研究員韓健團隊聯(lián)合英國及德國古生物學(xué)家，通過設(shè)計創(chuàng)新性熱埋藏實驗對上述觀點提出質(zhì)疑，認為軟骨細胞等超微結(jié)構(gòu)歷經(jīng)數(shù)億年地質(zhì)改造后，仍然以有機質(zhì)的形式被保存下來的可能性微乎其微，因此不能得出云南蟲類是脊椎動物的結(jié)論。相關(guān)研究論文發(fā)表于《英國皇家學(xué)會會刊B輯：生物科學(xué)》。
云南蟲化石。
化石的“闖關(guān)游戲”
澄江化石群中的云南蟲化石在億萬年的地質(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程形象地比喻為一場跨越億年的“闖關(guān)游戲”。
云南蟲類鰓弓光學(xué)照片。
當5億年前的海洋生物被快速埋藏而死亡后，“游戲”正式開始。很快，動物尸體被微生物分解，隨后動物細胞中的各種“水解酶”會在幾天內(nèi)啟動破壞程序。雖然澄江化石中許多軟軀體化石形態(tài)完整，但細胞結(jié)構(gòu)往往在這一階段早已被破壞。
接著進入早期成巖“關(guān)卡”，如果此時生物的軟組織或埋藏階段僥幸殘留的細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，就會像穿上“鎧甲”般，使細胞結(jié)構(gòu)得以一定程度的保存。“但澄江化石中無機礦物的最小直徑為0.6微米到2微米，因此難以保留納米級別的精細構(gòu)造。”何凱悅解釋道。
隨著時間推移，化石埋藏深度逐漸增加，“游戲難度”指數(shù)級上升。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)，是否能保留軟骨細胞及一些超微結(jié)構(gòu)，目前學(xué)界尚無定論。
實驗揭開“闖關(guān)結(jié)果”
為此，研究團隊在掃描電鏡下進行了精確選點和拉曼分析，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，通過涉及多組熱埋藏實驗，團隊將多種樣本埋入高嶺土中，經(jīng)歷不同溫度梯度和時間的熱處理，以模擬澄江化石所經(jīng)歷的埋藏和熱變質(zhì)過程。除了新鮮脊椎動物的軟骨組織，他們還引入了被譽為海洋“活化石”的文昌魚作為研究樣本，使研究結(jié)論更具有廣泛性。
實驗結(jié)果顯示，當溫度在150°C至260°C之間時，軟骨細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細胞結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)膜。不僅如此，即便溫度低于280°C，只要加熱時間足夠長，這些結(jié)構(gòu)依然難逃被破壞的命運。然而，動物的宏觀特征在熱埋藏實驗過程中卻保存下來，比如文昌魚的肌節(jié)、鰭等結(jié)構(gòu)。
“在長期成巖作用與數(shù)億年來多次構(gòu)造運動的復(fù)合影響下，云南蟲類化石中保存軟骨細胞結(jié)構(gòu)的可能性可以說微乎其微。”韓健表示。
云南蟲類鰓弓處碳質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖像。圖片均由研究團隊提供
化石分類“金標準”
論文合作者、西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系教授舒德干進一步指出，由于云南蟲類尚未發(fā)現(xiàn)脊索及脊椎動物特有的原始脊椎和對眼等頭部構(gòu)造，因此將云南蟲類歸入脊椎動物的說法目前缺乏證據(jù)支持。
“熱埋藏實驗揭示了一個重要現(xiàn)象，即在一定溫度范圍內(nèi)，化石的宏觀特征遠比微觀結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定。”舒德干認為，在研究寒武紀的化石分類時，“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地位的“金標準”。
值得一提的是，這項研究創(chuàng)新性地通過將石油地質(zhì)學(xué)的熱模擬實驗方法引入到古生物學(xué)研究中，探討了熱成巖作用對化石保存的影響。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、生物分類以及演化過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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