陕南寒武纪早期宽川铺组微体球状化石类型多样,如何正确辨别这些球状化石的生物属性是当前早期生命演化古生物学研究中的一个难点.我们在宽川铺组中发现了一类为数众多,具有一个或者多个不规则的帽状隆起结构以及翻边帽沿的帽状化石.研究表明这些帽状化石均为不完整的个体,其完整形态呈不规则的凹球形.根据帽球状化石帽身的数量和相对位置,这类化石可划分为“单帽型”、“双帽型”和“复帽型”三种类型.这些凹球状化石呈双层壳壁,内壁光滑,外壁粗糙.因为凹球状化石形态及其表面小孔与微体藻类、后生动物的胚胎以及壳体化石差异都非常显著,所以推测这类化石可能与带壳原生动物亲缘关系最为紧密.

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.

以宽川铺生物群中获取的磷酸盐化立体保存的胚胎化石为研究材料,对胚胎化石表面超微结构和内部解剖结构进行观察并对比分析.结果显示,大部分胚胎化石表面被一单层光滑卵膜结构所包裹,卵膜之下胚胎形态多样;刺状结构位于卵膜之下,为原生质胚胎分泌而成的保护层,出现在不同大小和不同类型的胚胎中.结果表明:1)单一依靠胚胎大小或者表面结构不能作为胚胎的分类依据;2)与现生海葵等动物胚胎表面微绒毛相似,Olivooides表面刺状结构可能具有保护胚胎和生态扩散的功能;3)带刺Olivooides很可能发育成为动物演化早期最简单的带刺幼虫形式,是动物间接发育的证据.

我国华南扬子板块埃迪卡拉纪—寒武纪的含磷地层中产有丰富的呈现分裂特征的多细胞球状化石.由于有效信息的缺乏,长期以来,这些球状化石的生物属性及分类存在争议.我们在陕南寒武系宽川铺组获得的一些保存精美的分裂型球状化石,具有明显的多级四分体结构,通过与同层位产出的动物卵裂期胚胎化石、瓮安生物群中四分体结构的藻类化石对比,结果表明这些分裂球形化石很可能为多细胞藻类.

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.

哈密翼龙及其3D蛋与胚胎化石的发现,具有重要的科学价值.然而,这些化石在离开原始埋藏环境之后,就会出现粉化剥落等严重自然风化现象.本文拟利用XRF等多种方法对代表性化石的赋存围岩样品进行分析检测,以探讨其风化破碎机理.分析表明,化石围岩为含泥砾的砂岩,含有蒙脱石等黏土类矿物,胶结物为钙质和盐类,且围岩中含有大量的C1-、NO3-、Na+和Mg2+等可溶盐.因此,本文指出围岩产生风化的主要机制是当湿度发生变化时,盐胶结溶解,同时围岩中的可溶盐溶解重结晶产生的巨大结晶压力,以及蒙脱石等矿物吸水膨胀产生巨大的挤压力,促使围岩在巨大内部应力等综合作用下逐渐粉化脱落,最终导致围岩彻底破碎.基于以上认识,也给出了化石的保护建议.

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.

刺细胞动物是一类具有刺细胞的水生无脊椎动物,分布在世界各地的海洋和淡水中.作为后生动物最早分化出的一支,刺细胞动物对研究后生动物的起源和早期演化具有极其重要的意义,也为研究后生动物系统发育、地层对比和古地理恢复等方面提供了重要的科研线索.本文简要介绍了刺细胞动物早期(埃迪卡拉纪至寒武纪苗岭世)的化石记录和研究现状,将刺细胞动物的早期演化分为四个时期,分别为前寒武纪、寒武纪纽芬兰世、寒武纪第二世和寒武纪苗岭世,并对上述四个时期的刺细胞动物进行论述.目前的研究表明:1)前寒武纪的刺细胞动物化石记录虽然比较丰富,但充满争议,目前尚未有比较确切的刺细胞动物记录;2)寒武纪纽芬兰世如宽川铺生物群中保存了较多的刺细胞动物胚胎及发育序列化石,是研究刺细胞动物演化的重要窗口;3)寒武纪第二世,以澄江生物群为代表的布尔吉斯页岩型化石保存了软躯体的刺细胞动物.与此同时,在第二世中已经出现了最早的珊瑚化石记录;4)寒武纪苗岭世刺细胞动物主要以布尔吉斯页岩型化石保存(如布尔吉斯页岩生物群和凯里生物群),同时期在美国犹他州发现的刺细胞动物印痕化石表明了这个时期几乎所有的刺细胞动物大类已经出现.本文根据上述时期的研究,对今后刺细胞动物化石的研究提供一些建议和讨论.

陕南寒武系底部宽川铺组不仅保存了大量的小壳化石,还以磷酸盐化的方式立体保存了多种软躯体动物的胚胎和成体化石,为研究早期动物矿化模式、个体发育方式以及动物躯体构型的早期辐射过程提供了非常关键的信息.然而宽川铺生物群的研究大多聚焦于化石系统分类及亲缘关系探索,对生物群的沉积背景、埋藏过程和保存模式的分析甚少.本文以宽川铺生物群的核心产出层位——陕西省西乡县大河镇宽川铺组下部磷质碎屑灰岩为研究对象,对其中的一类管状化石圆管螺及其围岩进行了显微结构学和显微谱学综合分析,获得了化石显微结构和关键结构对应的元素、矿物成分等信息,讨论了管状化石圆管螺的埋藏过程和保存模式,并在此基础上对其生物学特征进行了初步探讨.该研究对理解宽川铺生物群的埋藏机制提供了新的线索.