探索5亿年前的“骨头密码” 西大科研团队揭秘动物骨骼起源

中新网西安9月29日电 (记者 阿琳娜)从蜗牛的壳、螃蟹的甲，到人类的骨头——动物的“硬骨架”是怎么来的？地球上的动物骨骼是如何长出来的？

西北大学29日对外公布，该校张志飞教授指导博士研究生胡亚洲及团队成员，联合课题组外专Timothy Topper和Luke Strotz教授及中国科学院南京地质古生物研究所李国祥研究员与潘兵博士，对产自中国华北板块寒武纪早期猴家山组的开腔骨骨片开展了系统研究，成果以亮点封面论文发表在美国地质学会著名期刊——GEOLOGY。团队发现，5亿年前的化石里藏着动物最早由上皮组织控制骨骼生长的证据，刷新了人类对早期动物的认知。

开腔骨骨片上多边形有机质框架结构包覆在磷酸盐化内核上，同时被磷灰石质外模包围，透射电镜能谱分析揭示多边形结构以黏土矿物保存。西北大学供图　　据介绍，动物是显生宙地球上的创新主角。珊瑚、腕足动物、软体动物和管栖环节动物(原口动物)等往往具有防御用外骨骼，棘皮动物和各种脊椎动物等(后口动物)往往具有支撑身体的内骨骼。现代生物学的研究认为原口动物和后口动物骨骼的矿化机制和生理过程可能不同，但均是在上皮组织或者结缔组织控制下形成的矿化结构。那么，现如今地球上的骨骼起源于什么时候呢？动物这种“靠组织控制长硬壳”的能力，是从什么时候开始有的？

目前，已知最早的动物矿化骨骼记录来源于约5.6—5.2亿年前的寒武纪大爆发时期，地球动物很可能在此时获得了各种矿化能力。传统观点认为动物骨骼的出现很可能与捕食者与被捕食者之间的“军备竞赛”有关，也就是人们常说的“防御天敌”，即在攻防之间演化出了攻击用的利爪与牙齿，也形成了防御用的厚重壳体，但具体机制还不清晰。

不仅最早矿化骨骼为什么出现这一重大科学问题没有解决，该时期动物如何控制骨骼形成也一直是古生物界的难题。寒武纪早期的骨骼化石材料虽然不同程度地保存了较为精细的壳体形态，但这些材料并未保存细节证据，以揭示早期动物骨骼是由什么控制形成、是否和现代动物骨骼一样，由上皮组织或者结缔组织控制形成，亟待新材料的发现和创新理论的提出。而西北大学研究团队发现的来自中国华北板块寒武纪早期猴家山组的开腔骨骨片，为我们揭秘了这一科学难题。

华北寒武系第四阶猴家山组中保存多边形有机质框架结构的开腔骨骨片。西北大学供图　　团队对这些极其微小的开腔骨骨片开展了系统研究。通过对大量大小仅为300μm化石骨片的扫描电镜、显微CT、聚焦离子束与扫描电镜联用及透射电子显微镜能谱分析，发现了这些骨片上存在大量以黏土矿物保存的多边形结构，如同“蜂巢”一般包覆整个开腔骨骨片。

团队通过和现生贝壳对比，发现这些多边形的网状结构与软体动物珠母贝棱柱层间的有机质框架在大小、形态和显微结构上存在着极大的相似性，因此认为开腔骨化石骨片上的多边形结构与软体动物的有机质框架结构在起源、分泌方式上类似，两者的形成受控于表皮细胞，都发育有细胞间的棱和柱状结构。其矿化骨骼与现代软体动物一样也形成于这些多边形有机框架中。

结合软体动物有机质框架的形成过程及形成机制，研究认为，疑难动物化石开腔骨类内部的空腔是属于表皮细胞包围形成的真体腔，这就意味着，5亿年前的开腔骨化石具有现代真后生动物以表皮细胞形成上皮组织，进而控制外部骨骼矿化的能力。

现代动物系统学研究表明，动物四大组织(上皮组织、结缔组织、肌肉组织和神经组织)的出现是真后生动物的典型特征。寒武纪开腔骨化石上皮组织多边形网状结构及其显微结构的发现表明，该寒武纪疑难类化石隶属于一种真后生动物。

此前，专家认为，开腔骨可能跟海绵动物存在一定的相似性，具有亲缘关系。而研究发现寒武纪开腔骨类与以中胶层造骨细胞形成矿化骨针、无任何组织分化的海绵类侧生动物完全不同，因此完全否定了开腔骨类化石属于或者与海绵动物亲缘关系亲近的传统观点。

评审专家认为该研究的最大亮点是将现代生物矿化原理应用于早期壳体化石，并通过多学科的交叉研究方法揭示了寒武纪大爆发期间动物矿化显微结构的复杂性，代表了真正的与矿化结构相关的上皮组织在寒武纪大爆发期间的首次发现，表明在寒武纪大爆发的早期，即使是一些比较低等的疑难动物，已经具有形成类似于现代高等动物复杂矿化骨骼的能力。(完)