在地球上，目前生活著超過百萬種動物，在46億年的地球演化過程中，曾經誕生但已經滅絕的動物種類更是不計其數。這些動物的形態各異、習性迥然，但其中的絕大部分動物都有一個共同特點——都有骨骼。
不管是人類、貓狗、禽鳥體內起支撐作用的內骨骼，還是珊瑚、腕足動物、軟體動物身體外部起防御用的外骨骼，都對生命體的生存起著至關重要的作用，但這些骨骼何時產生，又是怎樣產生的？這樣的問題一直吸引著人們的持續探索。
不久前，西北大學地質學系教授張志飛團隊聯合國內外專家，首次發現了與骨骼礦化結構相關的表皮組織在寒武紀生物大爆發期間出現的證據，證明了即便是寒武紀時期出現疑難動物（即不能被歸于任何已知動物門類的原始動物），也已經具有形成類似于現代高等動物復雜礦化骨骼的能力。
日前，相關成果發表于美國地質學會知名期刊《地質學》（GEOLOGY）。
尚未解決的問題
根據現有研究，地球上已知最早的動物礦化骨骼記錄來源于約5.6-5.2億年前的寒武紀生物大爆發時期，地球動物很可能在此時獲得了各種礦化能力，進而產生骨骼。
至于為什么會出現骨骼，傳統觀點認為這很可能與捕食者與被捕食者之間的“軍備競賽”，及海洋的化學環境密切相關。
“這僅僅是一種猜測。”接受《中國科學報》采訪時，張志飛表示，事實上，不僅“最早礦化骨骼為什么出現”的問題沒有被解決，在該時期，后生動物（即動物界中除原生動物門外的所有多細胞動物總稱）如何控制礦化骨骼形成也一直困擾著科學界。
究其原因，主要在于前寒武紀—寒武紀界限附近發現的小殼化石材料只是不同程度地保存了較精細的殼體形態，但并沒有相關證據證明是什么控制形成了早期動物骨骼。
“現代生物學的研究認為，不同動物骨骼的礦化機制和生理過程可能不同，但均是在表皮組織或結締組織的控制下形成礦化結構。”張志飛說，比如大部分貝殼、珊瑚等生物的外骨骼是由其表皮細胞控制形成的，而人類的內骨骼則是由結締組織形成。
但是，地球最早出現的具有骨骼的化石群（小殼化石）是否已經有了類似分化？寒武紀豐富的骨骼化石又是如何礦化形成的？對于這些問題，目前科學界開展的研究極為稀少，更缺乏足夠的論證證據。
張志飛團隊的研究瞄準的便是此類問題。
一個假說的證明
該項研究是從一種生活在寒武紀，名叫“開腔骨”的疑難動物化石開始的。
“早在上世紀初，人類就已經發現了開腔骨化石，經過一百多年的研究，仍然沒有在相關化石上發現控制骨骼形成的生物結構。”張志飛的博士生胡亞洲說。
但就在2021年，胡亞洲卻在自己家鄉徐淮地區的地層中，發現了多門類小殼化石群，隨即開始處理和研究，發現其中就有開腔骨化石。
兩年后的2023年，正在瑞典參加一項國際會議的張志飛、胡亞洲等人，需要完成一份國家項目申請。于是，“師徒”便有了一段“集中辦公”的時間。也正在那段時間，張志飛在關于項目申請的討論時提出了一個假說——在寒武紀時期，動物或許已經有了“表皮細胞形成外骨骼、結締組織形成內骨骼”的分化了。
“當時，這只是張老師的一個猜想，但我忽然想到，之前在對開腔骨化石進行研究時，化石的某些特征或許可以印證這一猜想。”胡亞洲說。
此后的幾年間，研究團隊對開腔骨的化石骨片進行了更加深入的研究。
開腔骨化石由大量星射狀骨片構成，每個骨片由很多長長的針狀凸起（射骨）組成，這些凸起相互聯系，骨片上存在大量以黏土形式保存的多邊形結構，這些多邊形包覆整個開腔骨骨片，且在組成骨片的各射骨間也有發現。
張志飛團隊在研究中發現，這些多邊形網狀結構在大小、形態和顯微結構上，與現生軟體動物“珠母貝”的棱柱層間有機質框架存在著極大相似性。
他告訴《中國科學報》，棱柱層是軟體動物貝殼的重要組成部分，位于外層角質層與內層珍珠層之間，主要由碳酸鈣構成，呈現出多邊形棱柱狀結構，棱柱狀結構間存在的多邊形有機質框架，十分近似于開腔骨骨片上的多邊形結構。
“更重要的是，現代研究已經證明，珠母貝的這層結構是由其表皮細胞控制形成的。根據地質學研究中‘將今論古’（即從現代往前倒推，一些相關機制在遠古時期通常不會發生改變）的原則，我們完全可以斷定，開腔骨類化石骨片上有機質框架的形成，同樣受控于表皮細胞。”他說。
研究范式的創新
結合軟體動物有機質框架的形成過程及形成機制，研究團隊進一步認為，開腔骨類化石具有表皮細胞包圍形成的真體腔，同時也具有真后生動物（具有明確細胞組織分化的多細胞動物）以表皮細胞形成表皮組織，進而控制外部骨骼礦化的能力。
值得一提的是，在身體結構上，開腔骨與另一種存活至今的古老生物“海綿”也有著很多相似之處。基于此，傳統觀點認為開腔骨類化石屬于海綿動物，至少與海綿存在著較近的親緣關系。
然而，以海綿為代表的側生生物，其身體結構的形成并不涉及任何組織的分化。從這一點上，張志飛團隊的發現完全否定了開腔骨類化石與海綿動物的“親緣關系”。
除了為遠古疑難動物礦化骨骼的能力“正名”外，張志飛團隊的研究還有著另一重要意義——在對其成果論文的評價中，評審專家表示，本研究的最大亮點是“將現代生物礦化原理應用于早期殼體化石，并通過多學科的交叉研究方法，揭示了寒武紀大爆發期間動物礦化顯微結構的復雜性”。
“從提出假說到利用現代方法加以證明，我們在研究范式上也進行了一定的創新。”張志飛說，而談及未來的打算，他表示團隊會在已有研究的基礎上，將研究擴展至其他門類的化石材料。
“比如。某些節肢動物和軟體動物化石上所保留的信息，都有待與現有理論加以印證。在這方面，我們還有很多工作要做。”張志飛說。
相關論文信息：https://doi.org/10.1130/G53623.1
本文鏈接：無復雜礦化骨骼的能力？這項研究給原始動物“正名”http://m.sq15.cn/show-11-23974-0.html
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