埃迪卡拉纪-寒武纪转换时期动物的起源、演化和“寒武纪大爆发”一直是国际古生物学界研究的热点问题,其中寒武纪早期小壳化石群与埃迪卡拉纪化石群和寒武纪早期澄江化石库之间的内在关系是古生物学界研究的难题,其主要原因是寒武纪早期与小壳化石群伴生的宏体动、植物化石的缺乏.发现于峡东地区的寒武纪早期岩家河生物群填补了这一缺失环节,该生物群包含宏体动物、宏观藻类、小壳化石、球形化石(可能的胚胎化石)、微古植物和蓝菌类等化石,部分宏体化石显示了从埃迪卡拉纪向寒武纪过渡色彩.化石保存方式有碳质膜、黄铁矿化、磷酸盐化、硅化.因此对岩家河生物群生物多样性和埋藏学进行综合研究,将可提供纽芬兰世(梅树村期)碳酸盐台地—碳酸盐台地内部的局部凹陷盆地相的一个较完整的生物景观图,对探索“寒武纪大爆发主幕”前夕生物的辐射、演化模式及保存机制具有重要的科学意义.

关山生物群是继澄江生物群之后云南寒武纪早期地层中发现的又一个特异埋藏的化石宝库.现已报道10多个门类的化石动物,对研究寒武纪生命大爆发、后生动物起源及演化、寒武纪早期生态系统的复原等重大学术问题具有特殊的意义.始海百合属于棘皮动物门海蕾亚门,于寒武纪早期出现,志留纪灭绝.笔者将荧光显微镜等先进成像方式与传统的研究手段相结合,对新采集到的关山生物群始海百合化石标本进行深入细致的系统古生物学研究,对其精细形态学构造和生活习性获得更深入的了解.这对于认识寒武纪早期的生物多样性和棘皮动物的演化都具有重要的意义.

随着国家对基础研究的日趋重视,我国的古生物学,包括早期生命和寒武纪大爆发研究取得了长足的进步,研究手段和仪器设备日益改善和提高,例如扫描电子显微镜(SEM)和X射线显微断层成像技术(Micro-CT)的使用已经十分广泛.本研究以我国滇东地区寒武纪澄江化石库和乌龙菁组关山生物群特异保存的腕足动物化石为例,运用高性能微区X射线荧光光谱仪对化石标本和围岩的成分进行了定性和半定量分析.由于X射线有一定的穿透能力,且生物体与围岩的组成元素不同,因此对标本的定性分析可快速清晰地显示出某些生物体在光学显微镜下未显示出的生物解剖结构;对化石中化学元素(Na-U)和化合物的半定量分析数据可大致揭示澄江生物群与关山生物群沉积矿物元素的区别,并且筛选出更适合用于高精度元素分析的标本.微区X射线荧光光谱仪在测试和扫描前对样品普遍不用进行前期处理,可用于样品表面扫描和微区分析,操作快捷、有效,加之其较大的样品台空间,是一种先进的高灵敏度、非破坏性的元素分析手段,能为对比研究诸如澄江生物群与关山生物群等不同时代生物群的特异埋藏条件和沉积环境提供新的信息.

遗迹歧异度作为评估生物成因构造中形态轮廓变化的概念被引入,它揭示出造迹生物个体轮廓、运动系统和行为过程的主要创新.遗迹歧异度是基于形态结构设计的测量鉴别,而遗迹多样性是指遗迹分类的数量,即遗迹属或遗迹种的数量.本文统计前寒武纪-寒武纪之交(埃迪卡拉纪和寒武纪纽芬兰世、第二世)的88个遗迹属,并鉴定出40个形态结构设计类型,其中前寒武纪包含22个形态结构设计类型,遗迹多样性为32;寒武纪遗迹形态结构设计类型为38个,遗迹多样性为82.前寒武纪-寒武纪之交的遗迹化石资料显示,埃迪卡拉纪和寒武纪幸运期之交是遗迹多样性与遗迹歧异度的突变期,两者数量均显著增加.这表明造迹生物在数量上急剧增加,在形态类型上更加多样,造迹生物的个体轮廓、运动方式以及行为过程都渐趋复杂、多样,有力地支持了寒武纪生命大爆发事件.遗迹歧异度和遗迹多样性相结合,将会进一步增强遗迹学在演化古生物学中的重要性.

我国陕南寒武纪初期的宽川铺组(距今大约535百万年)以盛产磷酸盐化的微体小壳化石和球状动物胚胎化石而闻名于世,是探索早期动物门类起源和寒武纪生命大爆发研究中的一个非常重要的窗口.在宽川铺组中寻找微体化石新类型主要依赖显微镜下人工挑选的传统方法日趋低效,迫切需要新的技术手段来解决这些问题.而微体化石数量庞大,大小接近,形态简单,非常适合于采用机器学习的手段进行人工智能分类.我们在宽川铺组微体化石中尝试使用机器学习的手段来进行化石图像识别和机器分拣.采用方向梯度直方图来提取化石图像的主要向量特征,并设计了二叉树型多分类识别器进行化石数字分类.目前处理了5 000多张微体化石照片的人工智能识别,已经取得了较高的准确率.

三叶虫是寒武纪海洋中的常见动物,其受伤愈合现象的化石记录可以反映生态系统内物种之间竞争关系.中国华南寒武纪早期澄江化石生物群因保存软躯体构造化石而成为研究寒武纪大爆发时期古海洋生态群落的绝佳窗口,然而,澄江生物群中三叶虫受伤愈合现象的化石至今未见报道.中间型始莱德利基虫(Eoredlichia intermedia Lu,1940)是澄江生物群的常见物种,也是我国寒武系第二个三叶虫化石带的标准带化石.在2 000余枚中间型始莱德利基虫标本中,发现两枚成体标本的头甲侧边缘、颊刺和胸甲肋节保存了不同程度的残缺.据此推测,Eoredlichia intermedia在生命活动过程中曾受到碎壳型捕食动物的攻击或其他伤害而形成伤口.伤口部位边缘加厚且光滑,显示了明显的愈合痕迹.这些特征表明始莱德利基虫在受到非致死的伤害后,具备自身修复损伤的能力.这是迄今所知最为古老的,也是在澄江生物群中首次发现的三叶虫受伤并且愈合的标本,反映了寒武纪第二世第三期底栖生态系统中碎壳型捕食者和三叶虫猎物之间的军备竞赛生态关系.

我国三峡地区发现的已知最古老足迹化石,使远古动物开启步行时代前推到了5.51亿年前,为两侧对称动物在晚前寒武纪末就已出现提供了依据,也为寒武纪生命大爆发可能开启于寒武纪前提供了有意义的信息.这一发现进一步提高了足迹化石在研究古老动物行为和了解重大生物事件所具有的价值.

Sinotubulites是新元古代末期一类直或微弯,两端开口的圆柱管状化石,具有多层套合的管壁结构,目前已在世界多个地区发现,是寒武纪大爆发前管状生物大辐射的典型代表之一.本文对采自陕西宁强李家沟剖面埃迪卡拉纪高家山生物群中管状化石Sinotubulites的各项数据进行测量统计,以探讨管体各部分特征在个体发育过程中的关系.此次共选择测量保存较为完整的化石样品378枚,其中扫描电镜下检测口视样品150个,侧视样品134个,显微镜下检测样品94个,后者由于精度问题仅做数据辅助支撑.通过数据处理发现,Sinotubulites管状化石的最大直径和内圆直径线性关系明显(R2=0.7);五六角最大直径与单边长度间线性关系最高(R2=0.8903);总体上看,化石管体长度与壁厚、长度与最大直径无明显相关性.分析结果表明Sinotubulites在生长的不同阶段可能通过丢弃旧管,分泌新管,换管生活.同时在不同水动力条件下Sinotubulites不是单纯依靠分泌更厚的壳壁,而更可能是通过纵脊的多少来稳定管体.

寒武纪生命大爆发是一次由于环境氧浓度改变而导致的重大生命演化事件.对氧气的利用是高等生命赖以生存的本能,并因此进化出了复杂的调节系统来应对环境中氧气浓度的变化.低氧是高原环境的典型特点之一,通过高原低氧环境的长期自然选择,生活在高原地区的许多物种都演化出了独特的低氧适应机制.高原低氧环境中各种生物通过自然选择而实现的低氧适应过程与各种人类实体瘤中的肿瘤细胞低氧适应性状高度相似,本文从高原生物和实体瘤细胞的低氧适应性进化两个方面进行总结与讨论,以期通过对高原低氧适应性进化的分子机制进行深入解析,为低氧适应新基因的筛选和低氧实体瘤发生发展的分子机制解析提供新的研究策略.

寒武纪大爆发是生命演化史上重要的创新事件.我国澄江动物群(距今约5.18亿年)代表了寒武纪大爆发的高潮,而产自寒武系最底部,时代上早于澄江动物群的宽川铺生物群(距今约5.35亿年)则为研究寒武纪大爆发的第一幕提供了重要的埋藏窗口.宽川铺生物群产自陕南宁强、西乡等地寒武系底部宽川铺组钙质磷块岩和磷质碎屑灰岩中,以保存了大量动物胚胎和软躯体微型动物而闻名.其中四方塔型壳(Quadrapyrgites)是宽川铺生物群中常见的软躯体动物化石,因与同层位的橄榄蛋(Olivooides)在发育过程和形态上具有相似性而被认为是后者的姐妹群.但它们在动物树上的位置仍然存在争议.为检验前人提出的各种亲缘关系假说,本文综合使用电子扫描显微镜成像和超高分辨率X射线显微断层成像技术,重建了四方塔型壳胚胎标本的三维结构,首次揭示了其内陷式原肠作用类型.新的数据支持了四方塔型壳属于刺细胞动物而非环神经动物的观点.