當西北大學地質學系博士研究生胡亞洲在顯微鏡下看到骨頭化石上大量黏土礦物形成的多邊形結構時，內心不禁一陣激動。
他小心翼翼的將這僅有300微米、約等于一根頭發絲直徑的珍貴標本保存起來。
過去7年，胡亞洲所在的西北大學教授張志飛團隊，對產自我國華北板塊寒武紀不同環境、不同類型的三萬五千多枚化石開展了系統分析，才終于在猴家山組發現了這一保存著原始有機質框架的關鍵標本。
近日，該團隊聯合國內外科研團隊，證實這一關鍵標本是動物最早由上皮組織控制骨骼生長的證據，刷新了人類對早期動物演化的認知。該成果作為亮點封面論文發表于《地質學》期刊。
動物骨骼形成機制不清晰
目前，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大爆發時期，地球動物很可能在此時獲得了各種礦化能力。傳統觀點認為，動物骨骼的出現很可能與捕食者與被捕食者之間的“軍備競賽”有關，也就是人們常說的“防御天敵”，即在攻防之間演化出了攻擊用的利爪與牙齒，也形成了防御用的厚重殼體，但具體機制還不清晰。
“不僅最早礦化骨骼為何出現尚未解決，該時期動物如何控制骨骼形成也一直是古生物學界的難題?！闭撐牡谝蛔髡吆鷣喼拗赋?。
盡管寒武紀大爆發期間涌現了大量帶骨骼的生物，但由于早期小殼化石多僅保存外部形態，其微觀結構信息——尤其是控制骨骼形成的有機構造——極難保存，相關研究長期處于空白。正是基于這一現狀，團隊展開了系統性探索，從多樣環境中尋找可能殘存的有機結構。
《地質學》 2025年第10期封面。受訪者供圖
現代科技揭秘“骨骼起源”
當胡亞洲在顯微鏡下看到特殊的多邊結構后，團隊立即對微小的開腔骨（長相奇特的生物，形態類似于細長的仙人球，在寒武紀末期絕滅）骨片進行了系統分析。通過運用掃描電鏡、顯微CT、聚焦離子束—掃描電鏡聯用及透射電鏡能譜等多種先進技術，發現骨片表面存在的大量黏土礦物保存的多邊形結構，形如蜂巢，包覆整個骨片。
團隊通過和現生貝殼對比，發現這些多邊形的網狀結構與軟體動物珠母貝棱柱層間的有機質框架在大小、形態和顯微結構上高度相似，“因此我們推斷，開腔骨骨片的多邊形結構應與軟體動物的有機質框架同源，均受表皮細胞調控形成，并發育有細胞間的棱柱狀構造，其礦化骨骼也在這些多邊形有機框架中形成?！睆堉撅w介紹。
張志飛進一步解釋，結合軟體動物有機質框架的形成過程及形成機制，團隊認為開腔骨內部空腔實為由表皮細胞包圍形成的真體腔。這意味著早在五億年前，開腔骨已具備現代真后生動物通過上皮組織控制外部骨骼礦化的能力。
現代動物系統學認為，上皮組織、結締組織、肌肉組織與神經組織這四大組織的出現，是真后生動物的典型特征。此次在寒武紀開腔骨化石中發現上皮組織相關的多邊形網狀結構，表明該類疑難化石屬于真后生動物。
此前，專家認為，開腔骨可能跟海綿動物存在一定的相似性，具有親緣關系。而研究發現寒武紀開腔骨類與以中膠層造骨細胞形成礦化骨針、無任何組織分化的海綿類側生動物完全不同，因此完全否定了開腔骨類化石屬于或者與海綿動物親緣關系親近的傳統觀點。
審稿人評價稱，該研究最大亮點在于將現代生物礦化原理應用于早期殼體化石，通過多學科交叉方法揭示了寒武紀大爆發期間動物礦化結構的復雜性，代表了與礦化結構相關的上皮組織在寒武紀的首次發現。這表明，即便在寒武紀早期，一些形態原始的疑難動物也已具備形成復雜礦化骨骼的能力。
科研路上的持續探索
對人類而言，該研究最大的啟發在于，人類的骨骼不是一個孤立、完美的“成品”，而是一個演化了數億年的、充滿智慧的動態系統?！拔覀兝^承的不僅是一副骨架，更是一套深植于我們DNA中的古老的生存與適應策略?！焙鷣喼薷嬖V《中國科學報》。
科研攻關的道路充滿挑戰，團隊的研究歷程也不例外。據胡亞洲介紹，他們所面臨的困難首先是尋找合適的化石標本。盡管寒武紀大爆發時期涌現了大量帶骨骼的生物，其形態特征往往保存完好，但關鍵的微觀結構卻極少能夠留存下來。
團隊合影。受訪者供圖
“團隊投入七年時間，系統篩選和分析了三萬五千余枚化石，最終成功找到了這批保存有原始有機質框架的珍貴標本?！焙鷣喼薷嬖V《中國科學報》。
在技術層面，處理微體化石是另一大難題。與常見的恐龍等大型化石不同，團隊需要面對的是僅有300微米大小的微小骨片。對這些微小標本而言，最大的挑戰不僅在于觀察，更在于前期的分離與挑選，必須將這些微小的化石從巖石中無損地提取出來。而在進行顯微鏡觀測之前，還需要憑借熟練而穩定的手法，將每一枚微小的化石精準固定在樣品釘上，以確保能從理想角度捕捉其整體形貌與結構信息。
然而，比技術操作更為關鍵的，是對化石特征的準確識別與理論創新?！爸挥薪⑷碌难芯恳暯?，才能從這些古老標本中解讀出被忽略的生命信息。”張志飛表示，團隊創新性地將現代生物礦化機制與古代骨骼化石研究相結合，構建了一個全新的解讀框架，從而識別出這些微小結構中蘊含的、關乎骨骼起源的關鍵證據。
通過這項研究，團隊不僅提出了“表皮細胞控制生物礦化”這一重要理論范式，也進一步堅定了繼續探索寒武紀骨骼形成機制的科學信心?！巴ㄟ^這次科研，我們不僅掌握了多種前沿技術在古生物學中的融合應用，更錘煉出在科研道路上不畏艱難、持續探索的決心與毅力?！焙鷣喼尢寡浴?span style="display:none">XoO速刷資訊——每天刷點最新資訊，了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM
“我們可以利用蛋白質模板或有機分子模板，在溫和的條件下引導無機礦物結晶復制出具有類似優異性能的材料?！焙鷣喼薇硎?，團隊也期待著能夠將遠古生物建造殼體的智慧應用在材料科學及仿生學領域。
相關論文信息：https://doi.org/10.1130/G53623.1
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