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用新的光看扁平的化石用新的光看扁平的化石对哈佛来说很酷

这块类似虾的化石是在20世纪80年代发现的,除了它的种类外,研究人员对它几乎一无所知。事实证明,即使这样做也是错的,但重要的不是结果,而是方法。

2018年,由哈佛大学科学家领导的古生物学家小组利用特殊的x射线成像技术,对这一古代标本进行了3D绘制。他们发现,这块化石是一种完全未知的物种,生活在大约5.18亿年前的早期寒武纪。他们描述的动物特别凶猛。它虽然只有两厘米长,但在它的54条腿中间,有810根匕首般的刺。它用它们在海底撕碎猎物,比如蠕虫。

今年夏天该发现发表在BMC进化生物学和是一个最新的例子越来越多的研究开辟新途径的科学家理解节肢动物的早期演化,全部由使用成像技术称为微型电脑断层扫描,或ct机。

这项工作得到了哈佛中国基金的部分资助,并在过去一年半的时间里发表了五篇论文,帮助揭示了早期寒武纪化石的新细节。以前,用比较传统的方法是看不出这些特征的;综合起来,它们帮助我们进一步了解为什么我们会有蜘蛛、螃蟹、蝴蝶和其他节肢动物。

“通常情况下,我们只能看到动物的一侧(因为这些化石都是困在岩石上保存),“哈维尔Ortega-Hernandez说,哈佛大学助理教授,有机和进化生物学和无脊椎动物古生物学的比较动物学博物馆的馆长。“但最理想的情况是,我们想看到底面,那里有很多有趣、可爱的细节。”

在过去的五年里,奥特加-埃尔南德斯和中国云南大学的古生物学教授刘玉(音)一起,利用微ct技术,一直在做这样的事情。

方法基本上是一个创造性的办法几乎所有寒武纪节肢动物标本的常见的问题:虽然这些划带重点大到足以看到没有显微镜,他们经常像一块扁平的动物,与板熔融的岩石中发现。这常常使人们几乎不可能准确地描绘出这些被保存下来的动物的所有特征和特征。

这项技术的工作原理很像一个人手臂骨折时接受的基本x光检查。主要的区别是,这台机器要坚固得多,因为研究人员用它来观察大块的岩石、铁和黄铁矿等矿物,而不是软组织。化石被放置在一个旋转的舞台上,然后x光机在慢慢完成它的周期时拍摄数千张数码照片。然后,这些图像被编译成研究人员正在研究的动物的交互式3D渲染图。

在过去的五年里,这一过程在寒武纪大型节肢动物化石的研究中得到了越来越多的关注,因为微型ct机已经变得越来越强大,越来越便宜,并且在世界各地的研究实验室中越来越普遍。

奥特加-埃尔南德斯说:“这是一种非常令人兴奋的方式,能够再次研究这些动物,我们要么认为我们了解这些动物,[现在]我们正在寻找新的细节,要么,我们对这些动物知之甚少,因为有时它们只是保存得太糟糕了。”“通过这种方法,即使是一个不起眼的标本也有可能在3D中揭示保存得令人惊讶的完好特征……这可以改变一切。”

奥特加-埃尔南德斯和刘正是利用这种技术发现了这种挥舞着刀、形状像虾的生物的独特特征,他们称之为“小虾”。使用这种扫描,他们能够辨别出其他诱人的细节。例如,这种生物是今天一些节肢动物的遥远前身,比如蜘蛛、蜈蚣,当然还有虾。它有坚硬的外骨骼来保护自己免受捕食者的攻击,一个回飞棒形状的头,一对用来感知环境的触须,它像海猴一样以波浪的方式移动。

在今年6月发表在《当代生物学》(Current Biology)杂志上的另一篇论文(距离关于X. luoi的论文仅几周时间)中,科学家们研究了另一种存在问题的早期寒武纪节肢动物——巨齿虫(megacheirans)的头部形态,具体来说,这是一种Leanchoilia illecebrosa物种的样本。利用微ct,他们能够以前所未有的细节显示它的头部组织,包括眼睛的精确位置,爪状附件,以及出人意料的在嘴附近出现的挥动状唇状结构。

这个发现很重要,因为瓣唇,一种上唇,位于今天大多数节肢动物的嘴的前面。这一发现支持了这样一种理论,即Leanchoilia和其他的megacheirans是节肢动物chelicerates的远亲。它们包括现代马蹄蟹、蝎子和蜘蛛。到目前为止,唇状结构在巨蟹中的存在及其地位一直是该领域激烈争论的源头。这被认为是节肢动物头部最重要的特征之一,并引发了关于它们进化的不同解释。

作为这项工作的一部分,该小组还发表了另外三篇论文。其中两篇发表在《当代生物学》和《BMC进化生物学》杂志上,另一篇发表在《地质学》杂志上。

例如,在另一篇发表于2019年的生物学论文中,研究小组对这一寒武纪的甲壳类动物祖先进行了研究,并对其头上的触角和下颌骨进行了比之前更详细的描述。

“有了来自扫描的额外数据,基本上可以让你看到更多,”奥尔特加-埃尔南德斯实验室的研究助理乔安娜·m·沃尔夫(Joanna M. Wolfe)说,她也是那篇2019年论文和另一篇论文的合著者。“你可以把这块化石与它现存的亲戚进行更直接的比较。”

研究小组研究的每一个样本都来自中国云南省的澄江生物群。这里是古生物学家们的热门地点,因为这里有各种各样保存完好的寒武纪化石。

2015年,刘和奥特加-埃尔南德斯第一次在另一个项目上取得联系,自从刘给奥特加-埃尔南德斯发送了一个古代化石的微ct扫描后,他们就一直在一起工作。

“我不知道我在看什么,但它看起来真的很好,”奥尔特加-埃尔南德斯说。“这已经成为了一种非常有机的合作,我们将会不断地来来回回地完善解释,讨论发现的更广泛意义,只是一起进行非常积极的合作努力。”

大部分扫描工作是在中国云南大学完成的,主要是为了避免在旅行中损坏标本。这意味着很多工作都在远程进行,但奥特加-埃尔南德斯和他的实验室成员对访问刘在中国的实验室做一些分析并不陌生。事实上,它是双向的。在过去的一年里,刘一直作为访问研究员在哈佛大学工作。他甚至带来了一些标本。

刘说:“在新冠肺炎之前,我们进行了几次面对面的讨论,就一些科学问题应该如何解决或可能如何解决提出了一些非常好的想法。”“比如,我们最近的生物学论文,就不在我此行的最初计划之内。经过那些激动人心的讨论,事情就自然而然地过去了。”

尽管如此,远程访问数据的能力还是派上了用场,尤其是在教室里。

“我很想在我的教室里展示来自中国的化石,”奥尔特加-埃尔南德斯说。“但这不仅仅是不可能的……但我能做的是向他们展示令人惊叹的3D模型,这些模型在视觉上令人惊叹,实际上比化石本身拥有更多的数据。”

奥尔特加-埃尔南德斯和刘表示,这项研究不会很快停止。

奥特加-埃尔南德斯说:“我们只是刚刚开始了解表面,因为在这个沉积物中有数百种物种和数千个标本,而我们只对大约十几个物种使用了这种方法。”他指的是成江生物群。“还有很多工作要做。”

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.harvard.edu/gazette/story/2020/09/harvard-researchers-make-sense-of-ancient-fossils-using-3d/