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显微CT: “看见”6亿年前化石里的细胞核

2017-09-07 09:54 来源:科技日报 张 晔

日前,科学家在我国瓮安生物群动物胚胎化石中确认了最古老细胞核结构的存在。

  图为一枚7-细胞期标本,6个小细胞各含一个细胞核,第七个大细胞具有两个细胞核。

  瓮安生物群旋胞类化石的细胞核结构,显示细胞核在不同个体标本中具有不同的埋藏保存状态。

  图片由受访者提供

  我们从哪里来?这个问题,人类已经自问了千百年,至今仍是待解的谜团。

  地球生命演化史表明,包括人类在内,现今地球一切高等的复杂生命都是由真核细胞组成,我们的老祖宗都指向几十亿年前远古时期的单细胞真核生物。如何有效识别地质历史早期化石记录中的真核细胞及其亚细胞结构,是重建地球真核生物早期演化历史的关键所在。

  我国贵州瓮安生物群动物胚胎化石距今6.1亿年,是迄今全球最古老的动物化石记录之一。近日,中国科学院南京地质古生物研究所殷宗军副研究员和朱茂炎研究员与来自英国、巴西和瑞典的合作者组成的国际团队,对化石进行了显微CT扫描。其结果表明,瓮安动物胚胎化石中较大尺寸的核状亚细胞结构正是细胞核,而非其它细胞器或次生成岩作用导致的伪像。这将为探索地球早期真核生命演化提供重要线索和证据。

  显微CT镜头下化石什么样 不破坏化石三维重构内部结构

  殷宗军当年在中科院南京地质古生物所攻读博士,导师是著名的朱茂炎研究员,后者正是贵州瓮安生物群化石的主要研究者之一。

  殷宗军同样也把目光放在瓮安生物群化石上,这里是迄今全球最古老的动物化石记录之一,发现了诸如贵州小春虫等一系列重要化石。对于科学家来说,找到化石意味着研究只进行了一半,搞清楚化石的形成过程、形态结构、在地球生命演化过程中的作用地位等,才算完成使命。

  而眼前的这些化石让科学家有些犯难,因为它实在太小了,这些号称地球最古老的动物化石,最大的也不到2毫米。想要顺利完成研究工作,常规观察手段行不通,必须另辟蹊径。

  殷宗军想到了一种新技术——显微CT。在地球另一端的欧洲,一种全新的显微CT技术已经整装待发,这里有全球先进的欧洲同步辐射光源和瑞士光源亚微米分辨率三维无损成像技术。

  “这种技术的全称是同步辐射X射线显微断层成像技术,本质上是显微CT技术的一种,不过与常规显微CT技术相比,它的扫描效率和空间分辨率更高,分辨率可以达到亚微米级别,即微米尺度的结构都可以清晰地观察到。” 殷宗军告诉记者,而人类头发丝的直径大约为80微米。

  经过项目设计、化石收集、申请欧洲同步辐射光源的机时等一系列前期工作,殷宗军带着数百枚瓮安动物胚胎化石标本多次前往欧洲。在那里,研究人员采用同步辐射X射线对化石逐一进行扫描,并做了大量的三维重构实验。

  “这种技术的好处是,不用破坏化石就可以同时观察到化石的三维外观形态和所有的内部结构。” 殷宗军说。

  经过扫描发现,许多呈均等同步分裂的瓮安动物胚胎化石,以及具有类似细胞分裂特征的旋胞类化石中保存了丰富的亚细胞结构。其中,能看到许多较大的核状结构,成椭球形或球形,往往每个细胞中发育一个,位于细胞中间。偶尔也可以见到未分裂的母细胞中具有两个核状结构。高分辨三维重建发现,一些保存精美的标本中核状结构具有膜,其内部甚至还发育了更细微的生物学结构,专家认为那极有可能是细胞核仁。

  为何选择瓮安生物群化石 磷酸盐化方式完美保存细胞结构

  欧洲拥有如此先进显微CT扫描技术,各国科学家都可以申请使用,为何过去没有外国科学家做过类似的研究呢?

  “前人也尝试过这些技术,但光有技术还不行,我们的化石标本才是另一个关键。所谓巧妇难为无米之炊,既有技术又有好的化石材料才能完好的解决这一难题。” 殷宗军说。

  在细胞学层面研究化石的生物学结构,一直是古生物学家梦寐以求的工作。然而常规化石记录保存的只是骨骼等不易腐烂的硬体组织,在细胞学层面研究古生物非常少,因为绝大多数化石保存都没有那么完美,很少有化石,尤其是动物化石保存细胞学结构。

  而瓮安生物群是一个非常难得的特异埋藏化石群,因为它保存的生物学结构非常精美,几乎所有类群都保存了非常好的细胞和亚细胞结构。

  殷宗军告诉记者,特异埋藏化石是指保存质量异于常规化石的类型。通常情况下生物体死亡后软体组织会腐烂,只有硬体组织比如贝壳、骨骼等不容易腐烂的部分才有机会保存为化石。而特异埋藏化石则是发生在特殊的地质条件下,软躯体组织还没有来得及腐烂或者未完全腐烂就被矿化保存下来。与常规化石记录相比,特异埋藏化石群无论是数量还是规模都很少。

  位于云南的澄江生物群,是典型的布尔吉斯页岩型特异埋藏化石群。这里保存了大量动物软躯体,甚至是动物的心脑血管和神经系统都能保存下来。即使如此,澄江化石的埋藏精度也未达到细胞层级,仍无法观察到软体组织的细胞结构。

  而瓮安生物群则令科学家们感到惊奇,这里几乎所有类群化石都保存了细胞结构和亚细胞结构,这在整个地质历史时期所有特异埋藏化石群中也是非常罕见的。它以磷酸盐化的方式在细胞学层级三维立体保存了大量6.1亿年前海洋微体真核多细胞生物的软体组织。

  殷宗军说,磷酸盐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。瓮安为什么保存质量这么好,这在化石埋藏学领域也是一个尚未完全解开的谜团。

  为什么研究细胞化石 新证据或为真核生命的早期演化“拼图”

  科学家们费尽心机去研究6亿年前的细胞化石,究竟有何用意呢?

  据专家介绍,地球上所有复杂的高等生命包括我们人类在内都是由真核细胞组成。真核细胞主要由细胞膜、细胞质以及各种细胞器组成。与原核细胞最明显的区别是,真核细胞具有细胞核等细胞器而原核细胞没有这些复杂的亚细胞结构。

  真核细胞的起源一直是一个科学谜题,虽然有科学家提出了很多假说,但这些假说需要客观证据去证实或证伪。

  殷宗军说,真核生命早期演化历史的重建是一个重要的课题,虽然有了很多进步,全世界找到了很多前寒武纪真核生命化石记录,但相比显生宙的化石记录而言,化石数量还是太少,保存的细节不多,能提供的生物学信息也相对有限,因此真核生命的早期演化历史如今还只是一些零星的碎片拼成的拼图,很多重要问题没有明朗的答案。

  因此,瓮安生物群动物胚胎化石作为迄今最古老的动物化石记录之一,其亚细胞结构受到了广泛关注。其中,胚胎化石中一类尺寸较大的核状亚细胞结构的成因解释一波三折充满争论。

  最初有学者认为它们可能是细胞核,这些化石是典型的真核生物,但这一解释并未被广泛接受,以致此后有人提出新假说认为瓮安动物胚胎化石并非动物胚胎,而是没有细胞核的巨大氧化硫细菌及其集合体。2011年,又有学者将它们重新解释为细胞核,并声称发现了细胞核分裂的证据。但这一解释同样遭到了埋藏学研究的反对。

  所以,殷宗军等人的研究结果,不仅证明了这些核状结构“身份”,也向世人表明,细胞核作为真核细胞最重要的细胞器可以非常完好地保存在早期微体化石中,并为早期真核化石的有效识别和真核生命演化史重建提供了重要线索。

(责任编辑:王蔚)

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