顯微CT： “看見”6億年前化石里的細(xì)胞核

　　我們從哪里來?這個(gè)問題，人類已經(jīng)自問了千百年，至今仍是待解的謎團(tuán)。

　　地球生命演化史表明，包括人類在內(nèi)，現(xiàn)今地球一切高等的復(fù)雜生命都是由真核細(xì)胞組成，我們的老祖宗都指向幾十億年前遠(yuǎn)古時(shí)期的單細(xì)胞真核生物。如何有效識別地質(zhì)歷史早期化石記錄中的真核細(xì)胞及其亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，是重建地球真核生物早期演化歷史的關(guān)鍵所在。

　　我國貴州甕安生物群動(dòng)物胚胎化石距今6.1億年，是迄今全球最古老的動(dòng)物化石記錄之一。近日，中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所殷宗軍副研究員和朱茂炎研究員與來自英國、巴西和瑞典的合作者組成的國際團(tuán)隊(duì)，對化石進(jìn)行了顯微CT掃描。其結(jié)果表明，甕安動(dòng)物胚胎化石中較大尺寸的核狀亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)正是細(xì)胞核，而非其它細(xì)胞器或次生成巖作用導(dǎo)致的偽像。這將為探索地球早期真核生命演化提供重要線索和證據(jù)。

　　顯微CT鏡頭下化石什么樣 不破壞化石三維重構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　殷宗軍當(dāng)年在中科院南京地質(zhì)古生物所攻讀博士，導(dǎo)師是著名的朱茂炎研究員，后者正是貴州甕安生物群化石的主要研究者之一。

　　殷宗軍同樣也把目光放在甕安生物群化石上，這里是迄今全球最古老的動(dòng)物化石記錄之一，發(fā)現(xiàn)了諸如貴州小春蟲等一系列重要化石。對于科學(xué)家來說，找到化石意味著研究只進(jìn)行了一半，搞清楚化石的形成過程、形態(tài)結(jié)構(gòu)、在地球生命演化過程中的作用地位等，才算完成使命。

　　而眼前的這些化石讓科學(xué)家有些犯難，因?yàn)樗鼘?shí)在太小了，這些號稱地球最古老的動(dòng)物化石，最大的也不到2毫米。想要順利完成研究工作，常規(guī)觀察手段行不通，必須另辟蹊徑。

　　殷宗軍想到了一種新技術(shù)——顯微CT。在地球另一端的歐洲，一種全新的顯微CT技術(shù)已經(jīng)整裝待發(fā)，這里有全球先進(jìn)的歐洲同步輻射光源和瑞士光源亞微米分辨率三維無損成像技術(shù)。

　　“這種技術(shù)的全稱是同步輻射X射線顯微斷層成像技術(shù)，本質(zhì)上是顯微CT技術(shù)的一種，不過與常規(guī)顯微CT技術(shù)相比，它的掃描效率和空間分辨率更高，分辨率可以達(dá)到亞微米級別，即微米尺度的結(jié)構(gòu)都可以清晰地觀察到。” 殷宗軍告訴記者，而人類頭發(fā)絲的直徑大約為80微米。

　　經(jīng)過項(xiàng)目設(shè)計(jì)、化石收集、申請歐洲同步輻射光源的機(jī)時(shí)等一系列前期工作，殷宗軍帶著數(shù)百枚甕安動(dòng)物胚胎化石標(biāo)本多次前往歐洲。在那里，研究人員采用同步輻射X射線對化石逐一進(jìn)行掃描，并做了大量的三維重構(gòu)實(shí)驗(yàn)。

　　“這種技術(shù)的好處是，不用破壞化石就可以同時(shí)觀察到化石的三維外觀形態(tài)和所有的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。” 殷宗軍說。

　　經(jīng)過掃描發(fā)現(xiàn)，許多呈均等同步分裂的甕安動(dòng)物胚胎化石，以及具有類似細(xì)胞分裂特征的旋胞類化石中保存了豐富的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。其中，能看到許多較大的核狀結(jié)構(gòu)，成橢球形或球形，往往每個(gè)細(xì)胞中發(fā)育一個(gè)，位于細(xì)胞中間。偶爾也可以見到未分裂的母細(xì)胞中具有兩個(gè)核狀結(jié)構(gòu)。高分辨三維重建發(fā)現(xiàn)，一些保存精美的標(biāo)本中核狀結(jié)構(gòu)具有膜，其內(nèi)部甚至還發(fā)育了更細(xì)微的生物學(xué)結(jié)構(gòu)，專家認(rèn)為那極有可能是細(xì)胞核仁。

　　為何選擇甕安生物群化石 磷酸鹽化方式完美保存細(xì)胞結(jié)構(gòu)

　　歐洲擁有如此先進(jìn)顯微CT掃描技術(shù)，各國科學(xué)家都可以申請使用，為何過去沒有外國科學(xué)家做過類似的研究呢?

　　“前人也嘗試過這些技術(shù)，但光有技術(shù)還不行，我們的化石標(biāo)本才是另一個(gè)關(guān)鍵。所謂巧婦難為無米之炊，既有技術(shù)又有好的化石材料才能完好的解決這一難題。” 殷宗軍說。

　　在細(xì)胞學(xué)層面研究化石的生物學(xué)結(jié)構(gòu)，一直是古生物學(xué)家夢寐以求的工作。然而常規(guī)化石記錄保存的只是骨骼等不易腐爛的硬體組織，在細(xì)胞學(xué)層面研究古生物非常少，因?yàn)榻^大多數(shù)化石保存都沒有那么完美，很少有化石，尤其是動(dòng)物化石保存細(xì)胞學(xué)結(jié)構(gòu)。

　　而甕安生物群是一個(gè)非常難得的特異埋藏化石群，因?yàn)樗４娴纳飳W(xué)結(jié)構(gòu)非常精美，幾乎所有類群都保存了非常好的細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

　　殷宗軍告訴記者，特異埋藏化石是指保存質(zhì)量異于常規(guī)化石的類型。通常情況下生物體死亡后軟體組織會(huì)腐爛，只有硬體組織比如貝殼、骨骼等不容易腐爛的部分才有機(jī)會(huì)保存為化石。而特異埋藏化石則是發(fā)生在特殊的地質(zhì)條件下，軟軀體組織還沒有來得及腐爛或者未完全腐爛就被礦化保存下來。與常規(guī)化石記錄相比，特異埋藏化石群無論是數(shù)量還是規(guī)模都很少。

　　位于云南的澄江生物群，是典型的布爾吉斯頁巖型特異埋藏化石群。這里保存了大量動(dòng)物軟軀體，甚至是動(dòng)物的心腦血管和神經(jīng)系統(tǒng)都能保存下來。即使如此，澄江化石的埋藏精度也未達(dá)到細(xì)胞層級，仍無法觀察到軟體組織的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

　　圖為一枚7-細(xì)胞期標(biāo)本，6個(gè)小細(xì)胞各含一個(gè)細(xì)胞核，第七個(gè)大細(xì)胞具有兩個(gè)細(xì)胞核。

　　甕安生物群旋胞類化石的細(xì)胞核結(jié)構(gòu)，顯示細(xì)胞核在不同個(gè)體標(biāo)本中具有不同的埋藏保存狀態(tài)。

　　而甕安生物群則令科學(xué)家們感到驚奇，這里幾乎所有類群化石都保存了細(xì)胞結(jié)構(gòu)和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，這在整個(gè)地質(zhì)歷史時(shí)期所有特異埋藏化石群中也是非常罕見的。它以磷酸鹽化的方式在細(xì)胞學(xué)層級三維立體保存了大量6.1億年前海洋微體真核多細(xì)胞生物的軟體組織。

　　殷宗軍說，磷酸鹽化的保存方式在其他地方也有，但甕安是最古老的，保存的精美程度也是最好的。甕安為什么保存質(zhì)量這么好，這在化石埋藏學(xué)領(lǐng)域也是一個(gè)尚未完全解開的謎團(tuán)。

　　為什么研究細(xì)胞化石 新證據(jù)或?yàn)檎婧松脑缙谘莼?ldquo;拼圖”

　　科學(xué)家們費(fèi)盡心機(jī)去研究6億年前的細(xì)胞化石，究竟有何用意呢?

　　據(jù)專家介紹，地球上所有復(fù)雜的高等生命包括我們?nèi)祟愒趦?nèi)都是由真核細(xì)胞組成。真核細(xì)胞主要由細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)以及各種細(xì)胞器組成。與原核細(xì)胞最明顯的區(qū)別是，真核細(xì)胞具有細(xì)胞核等細(xì)胞器而原核細(xì)胞沒有這些復(fù)雜的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

　　真核細(xì)胞的起源一直是一個(gè)科學(xué)謎題，雖然有科學(xué)家提出了很多假說，但這些假說需要客觀證據(jù)去證實(shí)或證偽。

　　殷宗軍說，真核生命早期演化歷史的重建是一個(gè)重要的課題，雖然有了很多進(jìn)步，全世界找到了很多前寒武紀(jì)真核生命化石記錄，但相比顯生宙的化石記錄而言，化石數(shù)量還是太少，保存的細(xì)節(jié)不多，能提供的生物學(xué)信息也相對有限，因此真核生命的早期演化歷史如今還只是一些零星的碎片拼成的拼圖，很多重要問題沒有明朗的答案。

　　因此，甕安生物群動(dòng)物胚胎化石作為迄今最古老的動(dòng)物化石記錄之一，其亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)受到了廣泛關(guān)注。其中，胚胎化石中一類尺寸較大的核狀亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的成因解釋一波三折充滿爭論。

　　最初有學(xué)者認(rèn)為它們可能是細(xì)胞核，這些化石是典型的真核生物，但這一解釋并未被廣泛接受，以致此后有人提出新假說認(rèn)為甕安動(dòng)物胚胎化石并非動(dòng)物胚胎，而是沒有細(xì)胞核的巨大氧化硫細(xì)菌及其集合體。2011年，又有學(xué)者將它們重新解釋為細(xì)胞核，并聲稱發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞核分裂的證據(jù)。但這一解釋同樣遭到了埋藏學(xué)研究的反對。

　　所以，殷宗軍等人的研究結(jié)果，不僅證明了這些核狀結(jié)構(gòu)“身份”，也向世人表明，細(xì)胞核作為真核細(xì)胞最重要的細(xì)胞器可以非常完好地保存在早期微體化石中，并為早期真核化石的有效識別和真核生命演化史重建提供了重要線索。