圖為九江江夏魚化石。受訪者供圖
圖為等刺蟲複原圖。受訪者供圖
圖為江西省武甯縣澧溪鎮化石廣場上的化石模型。受訪者供圖
圖為刺猬安吉魚(左)和俊卿清水魚(右)複原圖。 受訪者供圖
【深瞳工作室出品】
采寫：本報記者 魏依晨
策劃：趙英淑 滕繼濮
4月22日，遊客鐘林站在江西省武甯縣澧溪鎮化石廣場的一尊古魚化石雕像前愣了神：“這些古魚萌态可掬的模樣，居然跟人類這麼像，它跟我們有什麼關系？”
這也是長期以來，科學家們思考的問題。化石就像記錄着地球曆史的文字，研究古生物化石就是不斷解讀這些“文字”，讓人們能更系統地了解生命演化、地質變遷。可喜的是，由于科技的加持，科學家們加深了對“文字”的了解，逐漸還原了滅絕生物的真實面貌。
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内，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，拿在手裡摩挲着、觀察着，一旦感覺到有異樣，就會拿着石塊，問不遠處的中年男子。
“蓋老師，來看看這個！”
戴着草帽、挎着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。
“這次應是又有新發現了。”蓋志琨小心地托着石塊，笑容随即浮現出來。
果不其然，此次他們在江西九江武甯地區發現了九江江夏魚化石。此魚屬于盔甲魚類，是一種已經滅絕的無颌類物種。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，更揭示了生物演化曆程中更深層次資訊。
之是以要尋找這些古魚，源于一個世界性難題：颌起源。
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，但沒有颌。
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，目前隻在中國和越南北部發現過。
經過多年努力，他和團隊于2002年在浙江長興有了重大發現：這裡曾經有過最原始的真盔甲魚，後來它被命名為曙魚。
困難也随之而來。“曙魚的标本隻有指甲蓋大，需要用大科學裝置同步輻射裝置對其進行CT掃描。”蓋志琨說。
但可惜的是，當時大陸的同步輻射技術還沒有發展起來，研究隻好暫時擱置了。
長期以來，古生物學家想要進一步研究化石内部精細結構，一般采用對古組織切片或者連續磨片的方法來進行。中國科學院院士張彌曼就曾使用連續磨片技術，對肉鳍魚類楊氏魚的頭部進行精細重建，發現了它沒有内鼻孔，是原始的肺魚，進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、三維模組化等技術已逐漸應用于古生物學研究。大陸科學家不斷攻堅克難，重建古生物演化曆史，産出了諸多重要原創性科研成果。
CT技術讓石頭開口說話
2006年，蓋志琨拿着曙魚标本到瑞士的光源中心做同步輻射掃描。
掃描發現，盔甲魚是位于現生的無颌類和有颌類中間環節的物種。而這個環節就是發育生物學家所預測的，颌的起源發育所需要的中間階段。
由此，盔甲魚為颌的起源提供了可靠的化石證據。蓋志琨團隊為解決颌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，如今也将有解決方案。
大陸首台高能同步輻射光源(HEPS)預計将于2024年發射第一束光，2025年完成傳遞并投入使用。
在蓋志琨看來，技術手段革新可以成為科研的“加速器”。
雲南省古生物研究重點實驗室主任、雲南大學古生物研究院副院長劉煜也有同樣的感受。
在一台顯微CT裝置前，身着一襲白大褂的劉煜像極了醫生。但他面對的并不是病人，而是穿越5億多年曆史的古生物化石。
通過給化石拍CT，劉煜将寒武紀化石的秘密一一揭開。
2023年，由雲南大學古生物研究院、澄江化石地世界自然遺産博物館、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手段，給寒武紀節肢動物——等刺蟲拍出了多張較為完整的CT片，為學界研究節肢動物的早期演化提供了新的形态學證據。
“拍CT相當于讓化石開口說話。”劉煜說，和醫院給病人拍CT一樣，給化石拍CT，可将石頭表面和内部資訊進行三維模組化。
“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澄江化石微米級别三維細微結構的技術路線。“以前無論用針修還是畫圖等方法，都隻能從化石表面看到二維的資訊，通過顯微CT技術可以呈現出近乎完整的、三維立體的動物圖像。”他說。
回國後，劉煜将當時國際生物學研究領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标本的研究。
顯微CT技術突破了傳統光學顯微鏡的二維形态學研究局限，實作了古生物研究技術從“0”到“1”的突破，從化石中獲得的資訊量比之前增加了大約60%到90%。
先進技術的運用讓澄江化石研究更加深入。2021年底，劉煜團隊憑借“寒武紀特異儲存化石與節肢動物早期演化”項目獲得2020年度國家自然科學獎二等獎。
AI技術助力古生物識别
考古人員也期盼着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遊或遊泳型動物，目前已滅絕。它們通常儲存在頁岩之中，不同的筆石物種蘊藏着不同時期的秘密。
然而，筆石化石往往個體較小，不同物種的形态差别十分微小。如何準确、快速鑒定筆石化石，對于地質學家和古生物學家來說，都是一個挑戰。
“想要解開謎團，大資料與人工智能技術或許能幫上忙。”中國科學院南京地質古生物研究所研究員徐洪河說。在中國科學院南京地質古生物研究所收藏着大量化石标本，他和團隊着手開始對這些化石标本進行研究。
“我們詳細采集了1500塊筆石化石标本的科學資訊，拍攝了大約5萬幅化石标本圖像，并對這些圖像進行像素級标注，建立了筆石化石标大學學權威的資料集。”徐洪河說。其研究團隊還提出了化石标本中繼資料标準，并将資料集的規範與标準向國内外推廣。
針對化石标本的多模态資料集，徐洪河團隊提出了人工智能古生物學的概念。“古生物化石的識别有别于常見的圖像分類問題。”徐洪河說，古生物本身在系統分類上存在層級結構，因其依據的形态特征非常細微，對專業性要求極高。
經過兩年多的時間，研究團隊完成了資料集準備、标注、模型訓練，有針對性地研發了适合于化石圖像分類的算法。
“我們将這些成果用于筆石化石識别模型，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别準确率可達86%左右。”徐洪河興奮地說，這已遠高于一般的領域專家。
“将最新的人工智能與深度學習算法融入傳統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岩氣勘探開發。
由于研究思路與方法均為首創，徐洪河團隊是以取得了一項中國發明專利和一項美國發明專利。
“這項研究是古生物學、計算科學、資訊科學的一次深度交叉與融合。”徐洪河說，這套方法已經部署在地層古生物大資料中心的化石本體資料庫，相關算法也應用于部分其他常見化石門類的識别軟體，并開發了适用于移動裝置的應用程式。
X射線給古生物畫像
站在中國古動物館内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：它究竟長什麼樣？
這個問題，如今可通過X射線“畫”出答案。
“肌肉和内髒等軟體在生物死亡後通常會很快腐爛，無法在地層中儲存下來，是以僅通過硬體化石很難複原生物的真實外形。”中國科學院南京地質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鳄魚？
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，在圖中顯示的顔色越深。”王偉說，這是通過三維X射線熒光掃描器對貴州龍化石進行檢測并得到元素分布的示意圖。經初步研究，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。
生物死亡後埋藏在沉積物(如泥沙)中，其肌肉、内髒在腐爛過程中會産生各種有機物，有機物與周圍的沉積物發生反應，往往會在化石周圍的岩石中留下一些化學元素資訊。是以，可以用化石及其圍岩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。
“常用的技術手段，如開展一定面積的檢測，需要在化石及圍岩磨出一個平面，亟待探尋無損傷檢測手段。”王偉說。
為解決上述問題，王偉課題組基于多方面的創新設計，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裝置存在的缺陷，研制了可以分析不規則、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、氮氣對測量結果的影響，使得測量環境可與真空媲美。”王偉說，儀器用雷射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，進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射線熒光掃描器，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化石為壓扁的闆狀，普通CT裝置很難對其進行精确掃描和重建。為此，大陸研發了首台高分辨闆狀化石專用X射線顯微層析成像裝置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，科學家們能夠更深入地探索古生物的内部結構，進而為揭示生物多樣性的曆史和演化提供關鍵證據。
建立生物類群資料庫
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“将今論古”之門，同時打開的，還有“以古啟今”之門。
低碳環保、節能減排、環境治理……這些領域似乎和古生物研究沒有關系。
在中國科學技術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，不僅能幫助我們了解地球曆史、生命演化等，還能激發公衆對自然保護的興趣。
近日，肖益林研究團隊與中國科學院南京地質古生物研究所及合肥工業大學合作，對華南桂林地區兩個典型的晚泥盆世海相碳酸鹽剖面進行研究發現，全球氣候變冷導緻了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新高，達到414.7ppm。如果這一濃度持續升高，地球環境将發生怎樣的變化？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，地球曾經曆過一段強烈的火山活動時期，經研究化石估算，當時的大氣二氧化碳濃度一度高達4400ppm，地球是以經曆了一場生物大滅絕，這些曆史資料為預測地球系統未來演化的模型提供了寶貴的邊界限定值。
中國地質大學(北京)副教授邢立達每年有七個多月的時間都在荒野之中，尋找着散布在世界各地的恐龍足迹化石。
今年2月底，邢立達研究團隊對外釋出最新成果，經對江西會昌縣修路開挖時發現的上千塊化石碎片進行清理修複，發現了甲龍亞科新種——英良達泰龍。
“恐龍有着1.6億年漫長的存在時間，特别适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。
“用生态系統研究的方法，推動解決生物與環境之間的互動問題，是一個新方向。”中國科學院院士、古脊椎所研究員徐星說，用生态系統研究的方法，恢複重建古生态系統，可以幫助我們更好地面對未來的挑戰。
徐星說，下一步不僅要推動古生物學與現代生物學融合發展，還要基于大資料開展古生物學研究，建立相關生物類群的資料庫。
有一個好消息傳來，古脊椎所正在推進與中國科學院高能實體研究是以及自動化所的合作攻關，未來将首次利用大科學裝置平台開展古生物學研究。
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，不僅讓我們從化石中看清生命的痕迹，更讓我們逐漸看清遠古時代古生物演進曆程。
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曆程的認知邊界。
（來源：科技日報 版權歸屬原作者，如有侵權請聯系删除⑨）