顯微CT“看見”6億年前化石裡的細胞核

日前，科學家在我國瓮安生物群動物胚胎化石中確認了最古老細胞核結構的存在。

圖為一枚7-細胞期標本，6個小細胞各含一個細胞核，第七個大細胞具有兩個細胞核。

瓮安生物群旋胞類化石的細胞核結構，顯示細胞核在不同個體標本中具有不同的埋藏保存狀態。

（圖片由受訪者提供）

我們從哪裡來？這個問題，人類已經自問了千百年，至今仍是待解的謎團。

地球生命演化史表明，包括人類在內，現今地球一切高等的復雜生命都是由真核細胞組成，我們的老祖宗都指向幾十億年前遠古時期的單細胞真核生物。如何有效識別地質歷史早期化石記錄中的真核細胞及其亞細胞結構，是重建地球真核生物早期演化歷史的關鍵所在。

我國貴州瓮安生物群動物胚胎化石距今6.1億年，是迄今全球最古老的動物化石記錄之一。近日，中國科學院南京地質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隊，對化石進行了顯微CT掃描。其結果表明，瓮安動物胚胎化石中較大尺寸的核狀亞細胞結構正是細胞核，而非其它細胞器或次生成岩作用導致的偽像。這將為探索地球早期真核生命演化提供重要線索和証據。

顯微CT鏡頭下化石什麼樣 不破壞化石三維重構內部結構

殷宗軍當年在中科院南京地質古生物所攻讀博士，導師是著名的朱茂炎研究員，后者正是貴州瓮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瓮安生物群化石上，這裡是迄今全球最古老的動物化石記錄之一，發現了諸如貴州小春虫等一系列重要化石。對於科學家來說，找到化石意味著研究隻進行了一半，搞清楚化石的形成過程、形態結構、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家有些犯難，因為它實在太小了，這些號稱地球最古老的動物化石，最大的也不到2毫米。想要順利完成研究工作，常規觀察手段行不通，必須另辟蹊徑。

殷宗軍想到了一種新技術——顯微CT。在地球另一端的歐洲，一種全新的顯微CT技術已經整裝待發，這裡有全球先進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。

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

經過項目設計、化石收集、申請歐洲同步輻射光源的機時等一系列前期工作，殷宗軍帶著數百枚瓮安動物胚胎化石標本多次前往歐洲。在那裡，研究人員採用同步輻射X射線對化石逐一進行掃描，並做了大量的三維重構實驗。

“這種技術的好處是，不用破壞化石就可以同時觀察到化石的三維外觀形態和所有的內部結構。” 殷宗軍說。

經過掃描發現，許多呈均等同步分裂的瓮安動物胚胎化石，以及具有類似細胞分裂特征的旋胞類化石中保存了豐富的亞細胞結構。其中，能看到許多較大的核狀結構，成橢球形或球形，往往每個細胞中發育一個，位於細胞中間。偶爾也可以見到未分裂的母細胞中具有兩個核狀結構。高分辨三維重建發現，一些保存精美的標本中核狀結構具有膜，其內部甚至還發育了更細微的生物學結構，專家認為那極有可能是細胞核仁。

為何選擇瓮安生物群化石 磷酸鹽化方式完美保存細胞結構

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

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

在細胞學層面研究化石的生物學結構，一直是古生物學家夢寐以求的工作。然而常規化石記錄保存的只是骨骼等不易腐爛的硬體組織，在細胞學層面研究古生物非常少，因為絕大多數化石保存都沒有那麼完美，很少有化石，尤其是動物化石保存細胞學結構。

而瓮安生物群是一個非常難得的特異埋藏化石群，因為它保存的生物學結構非常精美，幾乎所有類群都保存了非常好的細胞和亞細胞結構。

殷宗軍告訴記者，特異埋藏化石是指保存質量異於常規化石的類型。通常情況下生物體死亡后軟體組織會腐爛，隻有硬體組織比如貝殼、骨骼等不容易腐爛的部分才有機會保存為化石。而特異埋藏化石則是發生在特殊的地質條件下，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。與常規化石記錄相比，特異埋藏化石群無論是數量還是規模都很少。

位於雲南的澄江生物群，是典型的布爾吉斯頁岩型特異埋藏化石群。這裡保存了大量動物軟軀體，甚至是動物的心腦血管和神經系統都能保存下來。即使如此，澄江化石的埋藏精度也未達到細胞層級，仍無法觀察到軟體組織的細胞結構。

而瓮安生物群則令科學家們感到驚奇，這裡幾乎所有類群化石都保存了細胞結構和亞細胞結構，這在整個地質歷史時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胞學層級三維立體保存了大量6.1億年前海洋微體真核多細胞生物的軟體組織。

殷宗軍說，磷酸鹽化的保存方式在其他地方也有，但瓮安是最古老的，保存的精美程度也是最好的。瓮安為什麼保存質量這麼好，這在化石埋藏學領域也是一個尚未完全解開的謎團。

為什麼研究細胞化石 新証據或為真核生命的早期演化“拼圖”

科學家們費盡心機去研究6億年前的細胞化石，究竟有何用意呢？

據專家介紹，地球上所有復雜的高等生命包括我們人類在內都是由真核細胞組成。真核細胞主要由細胞膜、細胞質以及各種細胞器組成。與原核細胞最明顯的區別是，真核細胞具有細胞核等細胞器而原核細胞沒有這些復雜的亞細胞結構。

真核細胞的起源一直是一個科學謎題，雖然有科學家提出了很多假說，但這些假說需要客觀証據去証實或証偽。

殷宗軍說，真核生命早期演化歷史的重建是一個重要的課題，雖然有了很多進步，全世界找到了很多前寒武紀真核生命化石記錄，但相比顯生宙的化石記錄而言，化石數量還是太少，保存的細節不多，能提供的生物學信息也相對有限，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，瓮安生物群動物胚胎化石作為迄今最古老的動物化石記錄之一，其亞細胞結構受到了廣泛關注。其中，胚胎化石中一類尺寸較大的核狀亞細胞結構的成因解釋一波三折充滿爭論。

最初有學者認為它們可能是細胞核，這些化石是典型的真核生物，但這一解釋並未被廣泛接受，以致此后有人提出新假說認為瓮安動物胚胎化石並非動物胚胎，而是沒有細胞核的巨大氧化硫細菌及其集合體。2011年，又有學者將它們重新解釋為細胞核，並聲稱發現了細胞核分裂的証據。但這一解釋同樣遭到了埋藏學研究的反對。

所以，殷宗軍等人的研究結果，不僅証明了這些核狀結構“身份”，也向世人表明，細胞核作為真核細胞最重要的細胞器可以非常完好地保存在早期微體化石中，並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。（記者張曄）