有关化石形成的资料(化石中的不明物体，隐藏着不寻常的秘密)

Posted 2023-05-29

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有关化石形成的资料(化石中的不明物体，隐藏着不寻常的秘密)

化石是地球历史留给我们的礼物，它们就像时间机器，让我们窥探生物过去的模样。但科学家很早就意识到，化石其实有很大“缺陷”，用达尔文的话说，除非条件恰到好处，否则生物很难作为化石被保存下来。

即使是那些保留下的化石，大多也是生物身体坚硬的部分。比如在博物馆里收藏的大多数动物化石，都是由骨骼、牙齿和壳等硬体部分形成的。软组织几乎少之又少，更不用说像脑这样精巧而脆弱的部分了。

然而，随着现代成像技术的普及，研究人员已经注意到，脑化石和其他软体部分比我们先前认为的要普遍得多。

在一项新研究中，研究人员利用计算机体层成像（CT）扫描，检验了一个多世纪前从英国的一处煤矿中发现的一块3.19亿年历史的鱼类化石的头骨，从而揭示了一个保存完好的脊椎动物脑的最古老例子。这份脑及其颅神经的样本大约一英寸长，属于一种已灭绝的古老鱼类。这一发现为了解现存主要的辐鳍鱼类的神经解剖学和早期进化历程打开了一扇窗。研究已发表在《自然》上。

罕见的脑化石

尽管在脊椎动物化石中很少发现保存的脑组织，但科学家在无脊椎动物的脑的领域已经取得了不错的进展。

例如，2021年，一组研究团队报道了3.1亿年前鲎化石标本中保存完整的脑（详见《3.1亿年前的脑》）。甚至有证据表明，在超过5亿年前的标本中，留有大脑和神经系统的其他部分（详见《5亿年前的化石，颠覆教科书中的脑进化》）。

但脊椎动物化石中的脑组织仍然是一个鲜有涉足的领域。2009年，研究曾发现了一个3亿年前的鲨鱼近亲的脑化石。但是鲨、魟和鳐都是软骨鱼，这些鱼类的现存物种已经相对较少。

新研究多分析的脑属于一种名为Coccocephalus wildi的物种。这块C. wildi的头骨化石借自曼彻斯特博物馆，是在兰开夏郡的一座煤矿矿井中的皂石层中发现的，并于1925年首次得到了科学描述。

C. wildi化石。（图／Jeremy Marble, University of Michigan News）

虽然只找到了头骨，但科学家推断，C. wildi应该有15到20厘米长。这是一种早期的辐鳍鱼类，曾经在河口一带游动。从它的下颌形状和牙齿来看，它可能是一种肉食动物，以小型甲壳类、水生昆虫和头足类（这类动物今天包括乌贼、章鱼和墨鱼）动物为食。它们长有脊椎和鳍，由被称为鳍条的骨骼支撑。

大约存在30000个辐鳍鱼类物种，它们占了所有有脊椎的动物物种的半数。另一半则分为陆地脊椎动物，比如鸟类、哺乳动物、爬行动物和两栖动物，还有种类较少的鱼类群体，比如无颌鱼和软骨鱼。

像C. wildi这样的早期辐鳍鱼类，恰恰可以告诉科学家，如今最多样化的鱼类群体在最初的进化阶段是什么样的。这也是这块化石的宝贵之处。

这块头骨化石是这个物种目前已知的唯一标本，因此研究人员必须采用不会对化石造成任何破坏的技术来进行研究。

团队使用CT来窥视早期辐鳍鱼类的头骨内部，希望获得它内部解剖学细节，从而深入了解进化上的关联。他们注意到，头骨内有一个不寻常的显眼物体。这个“不明物体”在CT图像上更亮，也就是说，这里很可能比头骨的骨骼或者周围的岩石部分更致密。

对头骨的CT扫描，其中中心位置亮白色部分是脑和颅神经。（图／Figueroa et al. in Nature, February 2023）

在化石中看到无定形的矿物生长并不罕见，但是这个物体似乎具有一种明确的结构。它显示了在脊椎动物脑中发现的几个特征。首先，它是左右对称的，包含了类似脑室的中空空间，并且有多个丝状结构延伸到脑壳的开口，看起来好像颅神经。

所有这些特征都指向这可能是脑。通过放大头骨这片区域，进行分辨率更高的第二次扫描，研究人员最终确信，这是脑的部分，并决定进一步研究它。

一个不寻常的脑

科学家推测，这条鱼死后很快就被埋在了几乎没有氧气的沉积物中。这样的环境可以延缓软体部分的分解。

此外，头骨脑壳内的化学微环境，可能帮助保存了精巧而脆弱的脑组织，并让一种致密的矿物（可能是黄铁矿）取代了它们，因为精致地保留下了它的三维结构。

之所以得出这样的观点源自于对颅神经（负责在脑和感觉器官之间发送电信号）的观察。在这块化石中，颅神经在脑壳内是完整的，但当它们离开头骨时就消失了。也就是说，在头骨这个紧密封闭的空隙中，似乎有一个小的微环境，有利于用某种矿物相取代那些软的部分，捕捉到组织的形状，否则这些组织就会腐烂掉。

通过对这块化石进行详细分析，并将分析结果与现代鱼类标本进行比较后显示，这种鱼的脑具有一个葡萄干大小的中心体，有三个主要区域，大致相当于现存鱼类的前脑、中脑和后脑。颅神经从中心体的两边伸出。作为一个整体来看，中心体和颅神经看上去就像一个微小的甲壳类动物，比如龙虾或螃蟹，“长着”突出的臂、腿和爪。

鱼及其脑部特写的艺术家畅想图。（图／Márcio L. Castro）

值得注意的是，发现的脑结构表明，鱼脑的进化模式可能比认为的更复杂。例如，所有现存的辐鳍鱼类都有一种外翻的大脑，这意味着，胚胎鱼的脑是通过从胚胎内部向外翻折组织而发育的，就好像一只袜子从里面翻出来那样。所有其他脊椎动物的大脑都是表层内翻的，也就是说，发育中的大脑的神经组织向内翻折。

与现存的所有辐鳍鱼类不同，这份脑样本是向内翻折的。因此，这块化石捕捉到的是辐鳍鱼脑的这一标志性特征演化之前的时间节点。这提供了关于这一特征何时进化的限制条件。而在此之前，人们对此一无所知。

与现存鱼类的比较还表明，这种鱼的脑与鲟鱼和匙吻鲟的脑最相似，这些鱼类常常被称为“原始”鱼类，因为它们在3亿多年前与其他鱼类分道扬镳了。

新技术探索古老的化石

研究人员目前正继续对辐鳍鱼类的化石头骨进行CT扫描。他们认为，研究的一个重要结论是，让科学家认识到，这类软体部分同样有机会被保存下来，而且它们甚至可能保存在出土很长一段时间的化石中。比如这块化石其实已经被发现了100多年。

它也强调了在古生物学和动物学博物馆中保存标本的重要性。在过去的一个世纪里，有很多人曾检查过这个化石。但是，因为有了这些新的工具来探查化石内部，它又向我们揭示了另一层信息。

我们谁也不知道，100年后，人们可能会用我们现在收藏的化石做什么。

参考来源：

https://news.umich.edu/319-million-year-old-fish-preserves-the-earliest-fossilized-brain-of-a-backboned-animal/

封面图/首图：Márcio L. Castro