【科學家探索故事】給化石拍CT 解密5.2億年前懸案
澄江化石第二代探秘保護者劉煜 建古生物三維模型
在雲南大學顯微CT實驗室裏，雲南大學古生物研究院副院長劉煜正在掃描一塊小而薄的土黃色石頭，這一特殊的掃描對象，是來自「寒武紀生命大爆發」時期的澄江化石，躺在化石裏的是距今已有五億多年的一隻小蟲子。 「沒錯，我給化石拍CT，構建出5.2億年前這些生物的三維模型。這些生物埋進化石裏的秘密，終於有望得以逐一解開」，也是自此，對「寒武紀生命大爆發」的研究進入了全新階段，劉煜也被大家認為是「澄江化石的第二代探秘保護者」。◆香港文匯報記者 譚旻煦 雲南報道
在距今約5.2億年前一個被稱為「寒武紀」的地質歷史時期，地球上在2,000多萬年的時間內出現了各種各樣的動物，這些節肢、腕足、蠕形、海綿、脊索等動物，與現代動物形態基本相同，牠們不約而同在地球上「集體亮相」，形成了多種門類動物同時存在的繁榮景象，也形成了古生物學和地質學上的一大「懸案」：依照經典的達爾文進化論觀點，生物進化經歷了從水生到陸地、從簡單到複雜、從低級到高級漫長的演變過程，這一過程又是通過自然選擇和遺傳變異而緩慢逐漸實現的，「寒武紀生命大爆發」在這一理論框架下顯然是不成立的。
1984年7月1日，「澄江生物群」在雲南省澄江縣首次被發現，這一多門類動物化石群所呈現的動物類型眾多，且十分珍稀地保存了動物軟體構造，首次栩栩如生地再現了遠古海洋生命的壯麗景觀和現生動物的原始特徵，以豐富的生物學信息為「寒武紀生命大爆發」的研究提供了直接證據，在國際上被譽為「二十世紀最驚人的發現之一」。
多年來，中國以及全世界科學家對「寒武紀生命大爆發」進行了持續的研究，研究成果不斷地揭示着對早期動物的新認知。劉煜將CT技術用於澄江化石，開創了澄江生物群化石的三維無損研究新領域，「寒武紀生命大爆發」更多的細節或將通過這項研究展現出來。
CT片裏隱藏新發現
來到雲南大學古生物研究院顯微CT實驗室，劉煜在電腦面前給學生們講解今年8月28日剛剛發表的最新研究成果，「看，相對於此前對章氏麒麟蝦頭部具有五隻複眼（一對前眼和三隻後眼）和兩對單支型口後附肢的認知，新研究發現該動物其實只有一隻中眼和一對側眼，前四對口後附肢均位於頭部且均為雙支型。」學生們湊近仔細看，顯示器上的對比圖片清晰地反映出前後的不同。
劉煜說，新研究成果再次展現了顯微CT技術、計算機三維建模等技術不僅能深化我們對早期節肢動物形態結構的認識，還能推進對諸如「節肢動物頭部起源與演化」等關鍵科學問題的探索。
「這是我們課題組今年通過此項技術取得的第二項比較重要的成果」，2023年早些時候，團隊給寒武紀節肢動物——等刺蟲拍出了多張較為完整的CT片，並在此基礎上構建了數個三維模型。等刺蟲是生活在約5.2億年前寒武紀海洋裏的一類相對原始的節肢動物，是研究節肢動物早期演化的絕佳對象，但一直以來，由於等刺蟲寬大的殼瓣覆蓋住了整個身體，古生物學家僅憑肉眼和光學顯微鏡難以觀察到殼瓣下的細節。劉煜說，「通過CT掃描得到的數據，我們清晰地看到等刺蟲的外形細節，據此推斷，等刺蟲的眼鏡、前附肢及其後的四對附肢形成了功能性的頭部，而軀幹附肢為運動器官，有游泳和爬行功能。」這為學界研究節肢動物的早期演化提供了新的形態學證據。
三維圖像「活化」化石
在實驗室裏，劉煜給香港文匯報記者演示了CT設備掃描化石獲取信息的過程。「我們給化石拍CT，就像醫院給病人拍CT一樣，通過X光穿透化石後，通過多個角度拍攝上千張照片，就可以得到保存在石塊內部信息，再經過計算機的處理，就能提取到接近完整的三維信息。」劉煜說，這與之前相比，最大的區別就在於，傳統的研究是在顯微鏡下盡量放大化石的倍數，用細小的鋼針慢慢把覆蓋的岩石去掉，使某一構造細節顯現出來，這是一個非常消耗時間而艱苦的工作，如果不小心用力稍微過度一點，化石構造就被破壞掉，而且關鍵的構造極難被揭示，「這麼說吧，以前看到的是二維圖像，現在可以看到三維圖像，這樣得到的信息，會更加準確，也會更加接近實際情況。」
別看現在給化石拍CT這一系列操作十分「絲滑」，探索這一技術的過程卻也不容易。
2006年，26歲的劉煜遠赴德國烏爾姆大學攻讀博士學位，2009年底，博士畢業後在德國慕尼黑大學從事教學研究工作，其間，他發現有外國學者將CT技術用於化石研究，「澄江化石群被視作是化石寶庫，卻還從來沒有人用過這種方法，或許我可以試試」，劉煜向自己的老師侯先光提出了自己的想法，很快得到了侯先光的支持，老師借了幾塊化石給劉煜去研究。
給化石拍CT，看着簡單，操作起來卻不容易，一開始明明可以見到有些信息，但卻就是沒辦法提取到真正完整有用的，劉煜他們嘗試了很多次，卻還是沒能建模成功，「當時想可能是因為3D建模技術不成熟，或者說不是自己熟悉的領域」，劉煜說，「最後試一次！可沒想到就是這一次他成功了，清楚地提取到了化石內部的信息，高興壞了」。
建模技術揭示立體結構
後來，經過不斷研究和探索，尋找適合的建模技術支撐，劉煜終於成功揭示了澄江化石的三維立體結構，「這改變了我們的研究思路，以前我們總是希望化石露出的部分越多越好，而有了這個技術以後，就希望藏在內部的部分越多越好，這樣被破壞的程度會大大減少，更加有利於我們看到接近真實的結構，這對於古生物研究很重要。」
目前，經其創新性地引入到澄江化石研究中的先進技術手段主要有：熒光顯微鏡、電子掃描顯微鏡和顯微CT。前二者主要用於提取普通光學顯微鏡下無法觀察到的、保存在化石表面的動物身體結構信息；後者則主要用於提取保存在化石內部的動物身體三維結構信息。取得這些信息後，就可以給化石建模，還原生物結構。
劉煜取得的成果，不僅給澄江化石的研究打開了新窗口，也給世界各地相關動物化石的研究提供了主要參考和典型範例。
