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雪山下的化石珍奇

青藏高原古生物科考视频来源：中国科学院古脊椎动物与古人类研究所青藏高原经历了由远古海洋到世界屋脊的巨变。这片被冰雪覆盖的神秘土地之下隐藏着多少化石的秘密和生命历史的传奇？本期，来自中国科学院古脊椎动物与古人类研究所的吴飞翔老师将为我们讲述青藏高原的科考经历，并展示我国古生物学家历时半个多世纪在青藏高原发现的化石珍奇。主讲人：吴飞翔中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员，中国科学院青年创新促进会会员，中国第四纪科学研究会专业委员会委员。2009年毕业于北京大学地球与空间科学学院，获地层与古生物学博士学位。曾有三叠纪龙鱼类和中生代七鳃鳗系列研究成果，近年来专于青藏高原新生代古鱼类学研究。曾十数次领队进入西藏、青海高海拔地区科考，发表SCI论文40余篇，科普作品颇丰，精于手绘古生物科学画。前辈后学，薪火相传三代科考人、奋斗五十载、两亿年藏区生命史1.青藏高原—研究生命历史的“天然实验室”我国地势西高东低，大致呈三级阶梯状分布，平均海拔4000米以上的青藏高原便位于第一级阶梯。地质学证据显示，青藏高原主体部分均来自南半球，曾在特提斯洋里一路向北漂流。在印度板块与欧亚大陆碰撞之后，青藏高原开始加速生长，最终形成了我们如今所见的地貌，并间接地促成了我国三级阶梯的地理格局。青藏高原被誉为“世界屋脊”，地球上绝大多数7000米级的山峰以及全部14座8000米级的山峰均分布于青藏高原及其周边地区。3亿年前的青藏地区还是一片海洋，随着南来的羌塘地块和拉萨地块依次与北方大陆拼接，青藏地区逐渐浮出海面变成陆地，而新生代早期印度次大陆的拼贴和碰撞，让青藏高原加速生长。每次隆升都伴随着地貌的演进，从海洋到陆地，从热带平原到冰缘高地。青藏高原的隆升改变了亚洲的季风系统，影响了全球的气候模式。同时，起源于青藏高原上、占据不同生态位的生物也随着气候环境的变化而演替，或就地演化，或迁徙他乡，给世界生物多样性的发展带来了深远影响。三级阶梯星球研究所2.高原生命史纵览——演化亿万载，生命逐山高青藏高原被科学界称作“天然实验室”，是科学家研究古生物和古环境的重要场所。上世纪60年代，刘东生先生（1964）和邱占祥先生（1966）等人于西藏自治区日喀则市定日县和聂拉木县土隆村发现了喜马拉雅鱼龙化石。2023年，时隔近60年，乘着第二次青藏高原综合科学考察的东风，中科院古脊椎所邓涛研究员等人于西藏定日县和聂拉木县再次发现喜马拉雅鱼龙化石，据化石推测喜马拉雅鱼龙体型巨大，约有15米长。中科院古脊椎所的科考队员们近十年来在藏北色林错附近发现了西藏始攀鲈、张氏春霖鱼、棕榈、臭椿、蛙类等数以百计的化石。西藏始攀鲈与生活在南亚和撒哈拉以南非洲热带雨林地区的现生攀鲈有着密切的亲缘关系，其具有迷鳃结构，可直接呼吸空气，能在温暖缺氧的滞留水体中生存，并且在潮湿的环境下攀爬上陆地进行短途的“行走”。青藏高原东北缘的临夏盆地发现了适应干旱环境的临夏沙蚺化石以及目前已知亚洲最古老的、保存最完整且具有关联骨骼的沙鸡化石（干旱临夏鸟），鉴于现生沙鸡对干旱环境的出色适应，推测临夏鸟可能在数百万年前就已经快速适应了青藏高原东北缘的干旱环境。西藏阿里札达地区发现了多个冰期哺乳动物祖先类型的化石，包括披毛犀、雪豹、盘羊、北极狐和三趾马的祖先类型，这些化石的发现表明，青藏高原可能是许多大型冰期哺乳动物的起源地，随着第四纪冰期的到来，这些已经适应了寒冷环境的动物迅速扩散到青藏高原周边以及更遥远的地区，重塑了众多大陆上的生态系统。札达盆地发现的雪豹祖先——布氏豹显示现代存在于中亚的豹亚科支系最初就分布在喜马拉雅山脉和中亚的山区,其发现证明青藏高原西南部是理解喜马拉雅山脉隆升背景下生物演化的重要区域。1966年邱占祥先生和张宏师傅找到的喜马拉雅鱼龙藏北始新世“萌物”——西藏兔耳果高原首例热带鲈形目鱼类化石——西藏始攀鲈2600万年前的西藏始攀鲈生态重建图高原腹地的棕榈化石——西藏似沙巴棕雪豹之祖——布氏豹最早的北极狐——邱氏狐披毛犀的起源和扩散示意图晚中新世干旱临夏鸟的生态和行为复原《古生物学报》2023上新世青藏高原严寒环境中的北极狐祖先—邱氏狐生态复原《古生物学报》2023吴老师的报告既精彩又有趣，小朋友们听得津津有味，现场观众也都全神贯注、沉浸其中。在提问环节，一位小朋友问了这样一个问题：西藏有没有发现过昆虫化石？青藏高原的昆虫化石记录较少，青藏高原中部伦坡拉盆地发现过始新世中期的蜡蝉科一新种。该标本处于侧压状态，为亚洲最早的蜡蝉科化石记录。讲座结束后，小朋友们纷纷上前与吴老师沟通交流并合影留念。知识的火花在交流中不断迸发，照亮了小朋友们探索未知世界的道路。原标题：《科学公益讲堂回顾｜吴飞翔：雪山下的化石珍奇》编辑：诸鹏飞审核：盛捷

2024-09-19
冬夏颠倒的“冰冰背”

关于冰冰背形成原因的猜测还有很多，至今也未曾形成统一的解释。夏日炎炎，许多人都躲在空调房靠着瓜果冷饮“续命”，你能想象在巍巍太行山中，有一处地方正一派严寒，滴水成冰吗？在河南林州的石板岩乡韩家洼村村西处，就有这么一处神奇的地方，由于地处山阴，当地人将山阴称作“背”，于是这个冬暖夏凉的地方就被称作“冰冰背”。冰冰背气候特殊，每年本该冬去春来、百草复生的时节，此处却渐渐开始结冰，且冰期长达数月，一直到中秋节后，别处渐起秋凉，这里才开始霜融冰化。寒冬腊月，别的地方千里冰封、万里雪飘，这里却缓缓流淌着温热的涓涓细流，水草丰茂，连附近的桃树都开始提前萌芽。冰冰背后来，又有专家猜测，冰冰背的岩石和地面之下有一个近100米厚的保温层，其中的冷热能量不间断地自循环。夏天，地表的热气通过冰洞进入保温层，冰块开始融化，保温层内温度降低形成了冷气，冷气通过洞穴的缝隙上升到洞口，结成了冰。到了冬季，冷空气进入，这些在夏季融化了的冰水又开始结冰并释放热量，所以这时的洞口就出现了热气。近年又有洞穴专家给出新的解释，在很久很久以前，地壳运动将两种容易发生吸热化学反应的物质推挤在冰冰背的下方，自形成之日起就在进行化学反应，不断吸收大量热量，天长日久，就致使周边的环境一直如冬天一般。后来有一次地理变化中，冰冰背上面的山峰倒塌，覆盖了这一片地区，只剩下冰冰洞还保留着原本的特征。这些会吸收热量的物质通过倒塌留存的一些缝隙通道大量吸热，使夏季的洞内形成了低温高压，而洞外夏季温度较高，形成低气压，空气从高气压向低气压流动，地下藏着的冷源不断外放输送冷气给山洞，洞内的温度也就一直保持在零度左右。而到了冬季，虽然依然在吸热，但因为冬季气温低，气压大，吸热制冷效果不明显，就好像冬天变热了，但其实只是洞里的相对温度高于外部温度而已。除了冬夏颠倒，冰冰背的山洞还有一个独特的“空穴来风”现象，在夏季，离洞口十几米开外，就能感受到刺骨的寒风吹出，距洞口越近，风力越来越大，最大能达到三四级左右。而在冬季，则没有什么风了。在专家看来，这也可以用来解释冰冰背的冬夏颠倒现象。由于处于一个较大的断裂带上，冰冰背海拔1500米，与附近沟谷高差较大，形成了一个隐形烟囱。烟囱的原理是，烟囱内热空气密度小，会向烟囱外上升，使得烟囱内形成低压，而烟囱外气压高，冷空气会从低处进入烟囱进行补充，就形成了极大的风流。夏季地面温度较高，气压较低，冲出“烟囱口”的气体越是受热膨胀，就越需要吸收更多的热量，造成地表温度下降甚至结冰。而在冬季，地表气压高于“烟囱口”气压，洞内气体靠消耗内能向外扩散，就造成了地表温度的升高。关于冰冰背形成原因的猜测还有很多，至今也未曾形成统一的解释，但不可否认，这里的确有着特殊的地层结构和地质构造，或许正是环境的特殊，才产生了气候与外界截然相反的冰冰背。原标题：《地质探秘|冬夏颠倒的“冰冰背”》来源：地调科普作者：李苒苒编辑：诸鹏飞审核：盛捷

2024-09-06
世界级名片+1 “植物庞贝城”何以入选？

未来，南京古生物所科研团队将会继续深入研究“植物庞贝城”，探索这些物种的系统分类位置，进一步完善“生命之树”.近日，在韩国釜山举办的第37届国际地质学大会上，国际地质科学联合会（以下简称“国际地科联”）公布了“第二批100个国际地科联地质遗产地”，其中，来自中国的“植物庞贝城——乌达二叠纪植被化石产地”成功入选，为中国新建了一张世界级名片。“植物庞贝城”的前世今生“植物庞贝城”是指内蒙古自治区乌海市乌达煤田内特异埋藏保存的二叠纪化石森林。现在的乌达煤田地处北半球中纬度区域，野外植被稀疏，土地荒芜。但在2.98亿年前，它位于北回归线附近的低纬度热带区域，地处华北板块西北缘。温暖潮湿的气候条件使得该地植被异常茂盛，为煤炭沉积提供了有利环境。该时期火山频发，也为植被的生长提供了多种营养元素。然而，一场大规模的火山活动，却成为封印这一地质历史时期瞬间缩影的快门键。大气中巨量的火山灰沉降到地面，将整片森林就地掩埋。这一景象，与公元79年维苏威火山爆发造就的末日庞贝如出一辙，故而科学家们将这片特异埋藏化石森林命名为“植物庞贝城”。▲2.98亿年前乌达煤田沼泽森林遭遇火山灰沉降末日瞬间。制图：Stanislav Opluštil“植物庞贝城”是怎么被发现的1997年，29岁的王军来到中国科学院南京地质古生物研究所（以下简称南京古生物所），师从李星学院士开展博士后研究工作。不久后，南京古生物所研究员吴秀元赠送给王军一小块产自贺兰山脉的瓢叶类植物矿化标本，这枚直径仅有2厘米的球果化石，让王军充满兴趣，先后开展了多项深入的研究工作，并多次前往贺兰山脉开展野外工作，希望能找到该化石的原产地。2003年，王军与美国宾夕法尼亚大学Hermann W. Pfefferkorn教授一同前往贺兰山脉，寻找更多瓢叶类植物化石的踪迹。这一次，他们虽没有找到瓢叶类植物化石，却意外发现一层约60厘米厚的植物化石层，延绵三十余米间保存了十数棵直立树桩。那一刻，两位科学家意识到这里可能隐藏了一片原位埋藏的化石森林。随后，王军采集岩样制作岩石薄片仔细观察，发现这并非以往文献中认为的湖相粘土岩，而是火山凝灰岩，表明其为火山灰特异埋藏。一座被火山封存的“植物庞贝城”就此被叩开了“城门”。▲王军研究员观察火山凝灰岩中的直立茎干少有的原位埋藏化石森林细腻火山灰的瞬时埋藏使得“植物庞贝城”可以生动再现3亿年前陆地生态系统的壮丽景观，充分展示二叠纪成煤沼泽森林的完整面貌和丰富内涵。大量保存完整的植物化石使得科学家们可以完成远古植物的整体重建，完善“生命之树”。同时，通过野外样方调查获得的实际复原数据表明，“植物庞贝城”是世界上可供实际复原面积最大的远古森林遗址。“植物庞贝城”最能向科学界和公众回答清楚“煤是什么植物形成的”“形成煤的森林群落又是何种面貌”等相关问题。▲2017年野外样方照片▲“植物庞贝城”森林复原图“植物庞贝城”所处地球环境的演变阶段十分特殊，属于盘古大陆逐步聚合的中间时期。该时期经历了显生宙以来规模最大的冰期，发育了最持久茂盛的成煤植被，并首次形成显著的全球古植物地理分区。在超长的生物稳定发展期之后，紧接发生了地质历史时期规模最大的生物灭绝事件。“植物庞贝城”正是反映当时植物生长繁育情况，以及当时大气、地质（如火山活动）和地貌（河流湖泊、成煤沼泽等）环境变更的珍稀窗口。它经历的冰室-温室气候转换，为探索现代冰室-温室气候转换背景下植物与气候环境的协同演化提供了参考，有助于探索和预测地球的宜居性演变规律。“植物庞贝城”是世界少有的原位埋藏化石森林，并能最高保真度地还原远古成煤沼泽森林的群落生态面貌。正是这些重要的学术意义和科普潜力，使得“植物庞贝城”成功入选了第二批100个世界地质遗产地。▲植物庞贝城化石森林景观未来，南京古生物所科研团队将会继续深入研究“植物庞贝城”，探索这些物种的系统分类位置，进一步完善“生命之树”；“植物庞贝城”的未来“植物庞贝城”成功入选世界地质遗产地名录，既是对中国珍贵古生物化石资源的一种肯定，也对该遗产地未来前沿科学研究、遗址保护以及科普教育宣传工作提出了更高的要求和挑战。未来，南京古生物所科研团队将会继续深入研究“植物庞贝城”，探索这些物种的系统分类位置，进一步完善“生命之树”；开展相关化石物种的三维立体重建工作，使其成为全球实现化石植物整体复原重建的标杆；运用现代生态学方法，进一步揭示早二叠世成煤沼泽森林的真实面貌，实现世界面积最大的远古森林实际复原。来源：中科院之声作者：王军、周卫明、李丹丹编辑：诸鹏飞审核：盛捷

2024-09-05
恐龙后代何处寻？

要看到恐龙，你只需抬头望天。澳大利亚“对话”网站8月12日刊登题为《恐龙是否仍有可能存在于世界的某个地方？一名古生物学家进行了解释》的文章，作者为美国史密森学会地质学家和古脊椎动物馆馆长汉斯·休斯，内容编译如下：在一颗小行星6600万年前撞击地球时，所有的恐龙都被杀死了吗？或者可能有几只以某种方式挺过了那次大规模灭绝事件——它们的后代今天仍然生存？想像巨大的恐龙目前仍在世界某些偏远地区隆隆地走动非常令人兴奋，但没有证据证明这一点。没有霸王龙的远房亲戚迈着沉重的脚步穿过西伯利亚的树林，也没有雷龙在刚果的雨林里漫步。作为一名古生物学家，我这辈子花了大量时间研究古代动物，特别是恐龙。但我只见过这些生物的化石，没见过活体——只有一个例外。一群恐龙仍然存活。要发现它们，只需走到外面抬头望天。致命的小行星1977年，美国地质学家沃尔特·阿尔瓦雷斯正在意大利亚平宁山脉工作。他在那里发现在一层薄薄的黏土中，一种被称为铱的金属含量不同寻常。这层黏土位于白垩纪和早第三纪的岩石之间，可以追溯到恐龙消失的时候。铱在地球上很少见，但在一些陨石中则比较常见。沃尔特跟他的父亲路易斯(一名获得过诺贝尔奖的物理学家)共同提出了一个理论：一块巨大的太空陨石——一颗小行星——6600万年前与地球相撞。此次撞击在世界各地留下了铱的踪迹并且引发了一场无法想像的灾难，导致恐龙及无数其他陆地和海洋动植物物种灭绝。起初，许多科学家拒绝接受这一理论。但后来，在1991年，地质学家们发现了一个埋在墨西哥尤卡坦半岛附近海床下的巨大陨石坑。这里就是一颗直径约10公里的小行星6600万年前撞上我们星球的地方。撞击力如此之大甚至把数万亿吨灰尘和熔化的岩石抛到空中。许多熔岩碎块回落到地球，导致所有地方都燃起了大火。大气中一层厚厚的灰尘阻挡了大部分阳光，使得世界各地的温度都降至冰点以下。地球变成了一个寒冷荒凉的地方，并且持续了许多年，甚至几个世纪。失去阳光导致许多植物死亡。由于无法获得食物，三角龙等大型食草恐龙迅速灭绝。这让霸王龙等大型食肉恐龙没有猎物可吃，所以它们也灭绝了。但像哺乳动物、蜥蜴和海龟等体形较小的动物则有可能适应。它们也许可以藏在地洞里并依靠各种各样的食物生存下来。鱼类生活在河流和湖泊里并受它们由水组成的家园保护。跟它们一起活下来的是：鸟类，唯一存留的恐龙。与鸟类的联系快进大约6600万年：科学家在19世纪注意到现代鸟类的骨骼与恐龙化石在许多方面有相似之处。腿部和足部的相似性特别明显。但大多数科学家后来认为恐龙和鸟类的差异太大，不可能有密切联系。然后，在1964年，恐龙专家约翰·奥斯特罗姆发现了恐爪龙的化石。它的嘴里长满了尖牙(有着像牛排刀一样的锯齿状边缘)，修长纤细的手有3根手指，末端是巨大的弯爪，每只脚的第2根脚趾都长着巨大的爪子。恐爪龙是一种速度很快的猎手，不符合恐龙行动缓慢并且不太活跃的传统看法，它在大约1.1亿年前的白垩纪时期生活在北美。在上世纪70年代初的另一个研究项目中，奥斯特罗姆检查了目前已知的最早的鸟类始祖鸟——1.5亿年前生活在现在的德国。它有覆盖着羽毛的翅膀和叉骨，还有与爬行动物相似的特征，包括长着尖牙的口部，每只手有3根手指，和一条长长的尾巴。将这种古代鸟类与恐爪龙进行比较后，奥斯特罗姆意识到它们的骨骼有许多共同特征。比如，两者都有特别长的上肢和手，非常灵活的腕部，中空的骨骼和S形的脖子。根据这些和许多其他相似之处，奥斯特罗姆指出鸟类起源于跟鸟类相似的小型猎食性恐龙。只需抬头望天过去三十年，古生物学家在侏罗纪和白垩纪岩石中发现了许多古代鸟类和与鸟类相似的恐龙骨骼。出人意料的是与鸟类相似的恐龙(包括恐爪龙的近亲)身上覆盖着羽毛，就像跟它们生活在同一时期的鸟类那样。古生物学家现在认为，许多(如果不是所有)恐龙可以一直维持较高的体温，就像鸟类和哺乳动物今天那样。羽毛让它们保持温暖。与鸟类相似的恐龙没能挺过6600万年前的灭绝事件——但一些曾跟它们生活在一起的早期鸟类挺过来了。它们进化成目前存活的鸟类。想想吧：要看到恐龙，你只需抬头望天。作为一个长期研究恐龙的人，知道我跟恐龙生活在同一个世界让我们感到很高兴。来源：参考消息编译：杨新鹏编辑：诸鹏飞审核：盛捷

2024-09-05
科学家破解灭绝恐龙陨石来源之谜

飞来横祸是完全有可能的，即使是远在数亿公里之外的小天体，也有可能会撞击地球。大家知道，地球生命的演化过程，并不是一帆风顺的。化石记录显示，地球自形成生命以来，总共经历了5次生物大灭绝事件。这些事件导致了地球上生物多样性急剧减少。第一次发生在奥陶纪-志留纪灭绝事件，距今约4.45亿年前，导致约85%的物种灭绝，海洋无脊椎动物如三叶虫和腕足动物受影响严重。第二次是泥盆纪-石炭纪灭绝事件，距今约3.6亿年前，主要影响海洋生物，约70-80%的物种灭绝，包括珊瑚、腕足动物和鱼类。第三次是二叠纪-三叠纪灭绝事件，发生在约2.52亿年前，是地球上最大的一次灭绝事件，约96%的海洋物种和70%的陆地脊椎动物灭绝，海洋和陆地生态系统都遭到重创。第四次是三叠纪-侏罗纪灭绝事件，约2亿年前，导致约75%的物种灭绝，很多大型爬行动物和海洋生物消失，为恐龙的崛起提供了生态空间。第五次是白垩纪-古近纪灭绝事件，约6600万年前，导致约75%的物种灭绝，包括著名的非鸟恐龙、菊石等。上述灭绝事件的原因各异，包括大规模的火山活动、气候巨变和外来小天体的撞击等。而小天体撞击被认为是导致第五次，也就是恐龙大绝灭的原因。这次大撞击发生在墨西哥湾的希克苏鲁伯区域。这一结论是如何得到的？是否存在争议呢？以下是希克苏鲁伯小天体撞击被视为“大灭绝祸首”的几个原因：一是时间上的一致性：地质证据显示，希克苏鲁伯小天体撞击发生在大约6600万年前，与K-Pg灭绝事件几乎同时。二是全球影响：小天体产生的巨大能量导致了全球性的环境变化。它被认为产生了大量的尘埃和气溶胶，这些物质进入大气层，可能导致阳光被遮挡，进而引发“核冬天”效应，导致全球气候剧烈变冷。三是地质证据：在全球的同一沉积地层中发现了一层富含铱的沉积物，而铱在地球表面相对较少，通常与地外小天体有关。这为小天体撞击提供了证据支持。尽管这个假说被广泛接受，但也存在一些争议和其他观点：一是火山活动。一些科学家认为，与小天体撞击同时期发生的剧烈火山活动（如印度的德干暗色岩喷发）也可能对气候造成了重大影响，可能是导致生物大灭绝的主要或共同原因。二是同步性和区域性影响。虽然撞击和灭绝事件在时间上很接近，但是否所有地区都同步感受到灭绝效应仍有讨论。此外，撞击对不同区域生物群落的具体影响可能存在差异。三是复合因素。一些研究者认为，大灭绝可能是多种因素共同作用的结果，包括小天体撞击、火山活动、海平面变化和气候波动等。总体而言，尽管存在争议，希克苏鲁伯小天体撞击仍被认为是第五次生物大灭绝的重要因素之一，与其他可能的环境压力共同促进了这一重大的生物灭绝事件。可见，尽管存在一些争议，但都不否认小天体撞击对第五次生物大绝灭的影响。而且，全球很多科学家还在围绕这一话题开展研究。国际大洋计划第364次任务（IODP-364）就是专门研究希克苏鲁伯撞击坑的，来自全球十多国家的30多位科学家参与了这项工作。我作为来自中国的科学家代表，主要任务是研究这次撞击事件造成的冲击变质现象，也就是在巨大的撞击压力下地球岩石的变形变质特征。关于这次撞击的小天体类型和来源，也有很多科学家在开展研究。最近发表在《科学》期刊上的论文，就是对这一问题很好的回答。论文作者利用钌（Ru）——一种铂族元素——的同位素构成来研究陨石的属性。之所以选择钌，是因为它在不同的陨石类型之间表现出显著的差异，而这些陨石群的钌同位素组成也与地球不同，因此钌可以用来确定撞击岩中地外成分的来源。不仅如此，陨石的钌同位素特征，还随其母体小行星在太阳系早期形成时的日心距离（与太阳的距离）而变化。根据各种元素同位素组成的差异，可将陨石分为两大类：碳质球粒（CC）陨石，以及非碳质（NC）陨石。相比之下，碳质球粒陨石来自碳质（C-型）小行星，它们形成于更大的日心距离，即位于木星轨道之外。非碳质陨石中很多是硅质（S-型）小行星的碎片，形成于火星和木星之间。该项研究发现，产生白垩纪-古新世界线的希克苏鲁伯陨石具有不同于地球的钌同位素组成，而与碳质球粒陨石的钌同位素组成一致。这意味着希克苏鲁伯陨石来自具有碳质球粒成分的天体，也就是起源于外太阳系，位于木星轨道之外。那么，这一研究成果还有哪些意义呢？首先是为找到第五次生物大灭绝的元凶找到了更多的证据。前面说过，大部分证据都指向小天体撞击，其中一个重要证据就是沉积地层中的铂族元素来源。尽管来自陨石的可能性很大，但是基性火山岩的喷发也可以带来一定程度的铂族元素富集。而本项研究排除了（白垩纪-古近纪）界线黏土层中铂族元素升高源于同期火山喷发的可能性，也排除了前人提出的希克苏鲁伯陨石的彗星起源的可能性。其次是进一步提醒地球居民，飞来横祸是完全有可能的，即使是远在数亿公里之外的小天体，也有可能会撞击地球。因此，开展小天体运动轨迹的研究，特别是近地小天体监测和小天体防御是非常重要的。来源：人民网作者：中国地质大学教授肖龙编辑：诸鹏飞审核：盛捷

2024-09-05
极光会攻击人？古人类竟是这样理解天文现象的

如果我们理解了史前人类认识天空的方法，也许就能明白天文学在数千年的时间里对人类的影响之深远，这有助于我们更好地关照身边的世界，以及头顶的一切。仰望夜空是一种几乎所有时代的人类都曾做过的事，这种抬头仰望的本能可能与人类的诞生一样久远，甚至更古老。今天的我们要怎样才能知道，古代祖究竟如何看待他们所看到的天文现象？这些现象又如何影响了他们的生活方式？要想回答这些问题，就不得不提到一门学科——考古天文学，它揭示古人是如何观天测星，又是如何理解宇宙奥秘的。古人的宇宙观多种多样，以北欧土著居民萨米人（Sámi）为例，萨米语短语 ipmiliid áibmu 意为“众神的领域”。在古代萨米人看来，它就隐藏在漫天繁星的背后，而星星便是通往众神之地的窗口。萨米人有两个非常重要的神，分别是太阳神 Beaivi 和月亮神 Mánnu，因为太阳和月亮一直在为人们带来光明。萨米人是欧盟唯一正式承认的原住民，他们祖祖辈辈生活的地方横跨了四个国家：从挪威中部和瑞典中部开始，穿过芬兰的拉普兰地区，一直到俄罗斯的科拉半岛。这里有郁郁葱葱的广阔森林，也有高地草原、无树平原和北极苔原。这些地方都在北极圈附近，在一年的大部分时间里都被积雪覆盖。夜空浩瀚无垠，萨米人的神灵似乎一直在进行一场光明与黑暗的较量。夏季极昼期，太阳神 Beaivi 压制着月亮神 Mánnu，日光常驻。但到冬天，太阳隐去光芒，夜幕长久地降临，月色笼罩大地，北极光幽灵般的身影时隐时现。萨米人会告诫孩子们：“不要对着北极光吹口哨，它们可能会攻击你。”在东部萨米人的传说中，极光是遇害者的魂灵。直至今日，萨米人的居住地依然地广人稀，但这片土地正面临着被征收为工业用地的压力。现代社会的便利性无疑可以改善萨米人的生活，然而，他们的文化仰赖于相对原始、未受破坏的自然环境，在外人看来，这片土地或许有如荒原，萨米人却能在这里可持续地生活，他们保留了基于土地的谋生方式，也让传统知识仍有用武之地，比如，几个世纪以来一直指导着萨米人生活的天文概念就被保存了下来。早在望远镜诞生之前，人类就已经开始探索宇宙了。当他们抬起头仰望星空时，他们会想到什么？匈牙利考古天文学家埃米莉亚·帕斯托尔（Emília Pásztor）花了数十年时间，研究了 5300 年前至 3200 年前（欧洲青铜时代）欧洲人与天文现象的联系。在现代，人们可以借助各种空间望远镜窥探遥远的星系，见证恒星的诞生和死亡。除了日食和雷暴这种较为震撼的现象，人们几乎不会留意天空中的活动。然而，史前人类没有先进的天文学观测工具，好在他们头顶的天空也没有受到人造光源的污染，想了解天气，就必须仔细观察天空中的各种现象。史前人类很早就注意到了太阳和月亮的周期性运转，发现太阳在一年中有两个极端位置：冬至和夏至。他们还观察到，有些恒星和星座永远不会消失，有些则会季节性地出现。帕斯托尔在研究中发现，欧洲青铜时代的太阳符号形式多样，有些形状和结构实际上反映的是更为独特的大气光学现象，比如日晕（sun halo）、幻日（sun dog）和日柱（sun pillar）等。这些早期的天文观测成果，有时会以出人意料的方式体现在青铜时代人们的生活中。帕斯托尔在匈牙利南部的蒂尔·伊斯特万博物馆（Türr István Museum）工作时，就经历过一次激动人心的发现：在博物馆的保护专家工作室里，她看到了一个来自青铜时代坟墓的琥珀吊坠。当她把吊坠对着窗户，在光线下仔细检查时，突然发现暗红色的琥珀里有一个深色的十字符号，这是一个青铜时代的太阳符号。在陶器、鼓和其他物体上也发现了装饰性的天体符号，比如最著名的考古天文学发现之一：内布拉星象盘（Nebra sky disk），其历史可以追溯到大约 3600 年前。这是一个直径约 32 厘米的青铜圆盘，于 1999 年在德国的米特尔贝格山上被发现，上面装饰着金色的天体符号。包括许多研究人员认定为太阳、新月和星星的图案，还有一组被解释为昴宿星团的星群，以及一个弧形符号，根据不同的解读，它可能代表船只或彩虹。学界普遍认为，内布拉星象盘是人们最早对天空及一些天文元素进行的写实性描绘。但这件文物是由不太可靠的宝藏猎人发现的，考古天文学家们缺乏研究该文物的重要线索，比如圆盘被发现的具体位置、与其一同出土的其他文物等信息。因此，内布拉星象盘的确切年代和符号含义仍然存在争议。文物在时间和空间上的起源存在不确定性在考古学中相当常见。而内布拉星象盘的存在至少可以说明，在大约 5300 年前至 3200 年前，生活在欧洲的史前人类已经开始接触并试图认识天体了。早期的科学研究认为，内布拉星象盘是一种仪器，可以通过测量日出或日落时的太阳位置来确定日期，但这些理论后来均被否定。如今，一些德国学者提出，内布拉星象盘实际上是一种助记装置，通过将圆盘上的金色天体符号（如新月和疑似昴宿星团的符号）与真实夜空的相对位置进行同步，古人可以利用它来校准基于太阳周期的阳历和基于月亮周期的阴历。帕斯托尔不认同这些理论，因为将内布拉星象盘用作校准工具所需的数学知识水平，远超目前已知的青铜时代欧洲人的数学水平。她推测，这个圆盘很可能只是古人对宇宙的象征性描绘，承载的更多是精神意义而非实际功能。欧洲和世界其他地区的青铜时代考古遗址显示，这一时期与考古天文学相关的文物明显变多了。这与研究者们的观点相符，即当时社会结构变得更加复杂，出现了一个不断增长的富裕阶层，他们能够负担金饰等奢侈品，可能还会使用这种与太阳光辉相仿的贵金属，以及其他被赋予天文学意义的珠宝，来标榜自己与神灵的联系，展示权力和权威。到了青铜时代，古人的生活方式开始发生改变。人类逐渐摆脱了小规模的游牧生活，转而组成更大的定居社区，这些社区以农业和畜牧业为生。随着社区规模的继续扩大，简单的天文观测成为生存的关键。通过观察月相的变化规律、季节性出现的星座，或地平线上云朵形状和颜色的变化，人们能在导航、预测天气甚至计时方面占据优势。一些社区将观天导航技术提升到了一个全新的高度，这些技术在今天仍然可行。例如在 1000 年前，一支波利尼西亚航海队继承了他们的祖先拉皮塔人（Lapita people，南太平洋地区的古代航海民）的传统，利用一种名为“导向”（wayfinding）的海洋导航方法，不借助任何工具，仅通过观察星星、太阳、风、波浪和其他自然现象来确定方位，实现了大规模的跨岛航行。帕斯托尔提醒道，我们不能将现代天文学知识强加于古代文化上。尽管如此，无论对现代人还是对过着农耕生活的史前人类来说，“时间的本质是什么”都是一个引人深思的问题。而古人对时间的理解与想象，可能与我们完全不同。如今，萨米人的计时方式在很大程度上和世界其他地方保持一致，但他们的传统时间观念仍独具特色，呈现出循环性。这种时间观念深受驯鹿生命周期的影响，更依赖环境的变化，而非线性时间。在萨米文化中，一年分为八个季节：春-夏、夏、夏-秋、秋、秋-冬、冬、冬-春，接着来到春天，如此循环往复。生活在玻利维亚、智利、秘鲁和阿根廷地区的土著艾马拉人（Aymara people）则认为，过去是已知的，在眼前；而未来是一个谜，在身后。时间的抽象概念因文化而异，但当涉及追踪和衡量时间的流逝时，日历是必须的。无论是现代文明还是古代文化，大多数日历都基于太阳或月亮的周期性运行规律。当今世界，大多数人使用的是基于太阳运行规律制定的公历：一年由 12 个月组成，每个月有 28 ~31 天；一天由 24 小时组成，一个小时包含 60 分钟，如此循环。一套日历通常蕴含着大量的数学运算。试想一下，当史前人类开始意识到月亮的盈亏或日出日落的规律性时，他们必须对天体运动进行不间断地监测、计算和记录。月亮的周期大约为 29 天，太阳的周期则需要连续约 365 天的记录，才能获取更全面的信息。因此，当我们研究史前人类探索天文学的历程时，早期的书写和计数实践往往是解开这个谜题的关键。我们能明确分辨的最早的数字出现在美索不达米亚，时间可以追溯到公元前四千年中叶，也就是大约 6000 年前。这些数字之所以能被确定，是因为它们不仅是重复的，而且还是以特定的模式绑定出现的，体现了现代数字系统的基本运作方式。在人类社会的发展过程中，数字和文字系统的出现并非一蹴而就，而且在世界各地的发展速度很可能各不相同。从掰手指计数到使用计数标记，到发明算盘和筹码等便携计算工具，再到人们开始须要一些可以把计算结果保存很久的方法，然后才发展出了书面符号。所以，书面形式的数字符号并非数字概念出现的起点。有些看似数字的标记，实际上与计数无关。旧石器时代文物上的线条符号并非都是数字符号，比如澳大利亚原住民使用的信息棒（message stick），上面有一些雕刻或绘制的线条图案，它们实际上是原住民用于远距离通信的工具，并不是数字。古埃及人的生活与尼罗河的周期性涨退息息相关，因此他们使用月亮的周期来测量时间。最早的古埃及日历是阴历，将一个月分为三个 10 天。但月亮的周期并不固定，每个月的长度不一样，导致了时间记录的不准确性。随着古埃及和古美索不达米亚社会发展得越来越复杂，累积的时间误差不断增加，阴历逐渐难以与季节变化保持一致，也无法相对精确地追踪更长时间段的变化。古埃及人开始寻找更准确的方法来记录时间。到公元前 3100 年左右，埃及进入早期王朝阶段，他们创立了一套基于太阳的历法系统：一年分为三个季节，每个季节包括四个月，每个月 30 天，为了保持日历的准确性，在每年末尾还有五天的“无名日”，总计 365 天。这种历法系统被称为“民用历”（civil calendar），它是古埃及第一套完整的太阳历法系统，一直沿用了几个世纪。对于在欧洲生活的史前人类，书面记录大多出现在青铜时代之后，我们可能永远无法知道青铜时代欧洲人对天文学的理解。然而，通过比较青铜时代的符号与现代的天文摄影，以及观察现代土著群体与天体的关系，我们或许能获得一些线索，窥探史前人类仰望天空时的思考方式。如果我们理解了史前人类认识天空的方法，也许就能明白天文学在数千年的时间里对人类的影响之深远，这有助于我们更好地关照身边的世界，以及头顶的一切。原标题：《科学60秒：极光是亡灵变的？古人会如何解释宇宙现象？ | 20:00》来源：环球科学科研圈编辑：诸鹏飞审核：盛捷

2024-08-23
欧亚大陆的东南一隅——“台湾新生代的古生物”

2022年，杨子睿老师带领团队于恒春半岛垦丁的石灰岩中发掘出了完整度高达70%以上的鲸鱼化石。主讲人杨子睿：德国波恩大学博士；台中自然科学博物馆副研究员、台南成功大学地球科学系兼任副教授、台中中兴大学生命科学系兼任副教授。曾于德国波恩大学攻读博士学位，并在中国科学院古脊椎动物与古人类研究所进行博士后研究。主要研究方向为中生代恐龙的生殖生物学、生理学与化石埋藏学，近年来也陆续开展台湾新生代古生物的研究。欧亚大陆由亚欧板块、印度板块、阿拉伯板块和东西伯利亚所在的北美板块所组成，我国台湾省位于欧亚大陆的东南方向。台湾地质年代较年轻，以新生代为主且海相化石丰富。那么，台湾有没有哺乳动物的化石呢？本期，来自台中自然科学博物馆的杨子睿老师将为我们展示花豹牙齿化石的研究成果并分享鲸鱼相关的研究进展。01 冰河时期花豹被迫迁移喀斯特地形，是具有溶蚀力的水对可溶性岩石进行溶蚀等作用所形成的地表和地下形态的总称。地下河、溶洞等景象往往出现于喀斯特地貌中。我国贵州、云南和广西等地拥有典型的喀斯特地貌。喀斯特洞穴中普遍含有钟乳石和石笋等沉积物，也会有一些古生物化石埋藏于此。我国台湾恒春半岛的喀斯特洞穴中便发现了花豹的臼齿化石，这3颗臼齿化石埋藏于垦丁国家公园的一个石灰岩溶蚀洞穴中。台湾为何会出现花豹化石？这可能与冰河时期的海平面下降有关。冰河时期气候变冷，许多动物被迫从高纬度地区向低纬度地区迁移。由于海平面降低，台湾地区与大陆相连形成陆桥，花豹便有机会从大陆迁徙至台湾，并在垦丁国家公园的石灰岩洞穴内留下了化石记录。02 搁浅在沙滩上的蓝鲸鲸鱼可分为齿鲸和须鲸两大类。齿鲸具有牙齿，只有一个外鼻孔，呼吸时只能喷出一股水柱。而须鲸没有牙齿，有两个外鼻孔，呼吸时可以喷出两股水柱，它们通过长在上颌的鲸须来过滤食物。我们熟知的抹香鲸为齿鲸，蓝鲸则为须鲸。台湾鲸豚种类丰富，全世界大概有90多种鲸豚，台湾周边海域便发现了30多种。2020年，台湾台东县沙滩上发现了一头搁浅的蓝鲸，其头部被渔具绳索紧紧缠绕，因长期无法张嘴进食而死亡。这头蓝鲸的骨骼经过三年多的处理修复，最终在屏东的台湾海洋生物博物馆展出。03 新发现的鲸鱼化石2022年，杨子睿老师带领团队于恒春半岛垦丁的石灰岩中发掘出了完整度高达70%以上的鲸鱼化石。这头须鲸长约18米，死亡年代为距今约26万至8.5万年之间。研究人员通过肩胛骨、下颌骨等骨骼对比判断其为灰鲸，且可能为灰鲸属中的一个新种。这些灰鲸化石预计2026年前清修完毕，届时将置于台中自然科学博物馆展览。杨老师用幽默风趣的语言讲述了大量野外考察和科研工作中新奇的事情，不断吸引着小朋友们的注意力。在提问环节，小朋友们纷纷举手提问。一位小朋友问了这样一个问题：什么是鲸落？一鲸落，万物生。“鲸落”指鲸鱼死后其尸体缓慢沉入海底的过程。鲸鱼通过鲸落滋养着众多海洋生物。食腐动物将鲸鱼的软组织吃掉后，一些无脊椎动物会对鲸鱼尸体进行二次处理并在此处定居。剩下的鲸鱼骨架会释放硫化氢提供给硫化菌等生产者化能合成，获得能量。当残余鲸落当中的有机物质被消耗殆尽后，鲸骨的矿物遗骸就会化作礁岩，成为大批海洋生物的聚居地。鲸落对于维持海洋生态系统平衡有着重要意义。讲座结束后，小朋友们纷纷上前与杨老师沟通交流。一颗颗保护鲸鱼、保护海洋生物的种子就这样在小朋友们心中发芽生长。原标题：《科学公益讲堂回顾｜杨子睿：欧亚大陆的东南一隅——“台湾新生代的古生物”》来源：中国古动物馆保定自然博物馆作者：吴美仪、杨藩编辑：诸鹏飞审核：盛捷

2024-08-23
人类曾是最成功的腐食者，你的胃酸可以证明

从巨型肉食动物口中抢夺食物，是当时的古人类需要面临的一个生存难题。逛动物园时，我们时常会觉得一些巨型猫科动物，例如老虎，它们富有威严，却也十分懒散可爱。不过如果它们生活在野外，恐怕此刻已经面露凶光，在低沉的咆哮中盛气凌人向你（美味的猎物）迅速扑来。而在这样的场景下，绝大多数人可能都会立即双腿发软，发出凄厉的叫声——真的想想都会被吓到。不过回看人类的演化史上，衣不蔽体、饥肠辘辘的人族（Hominins，包括人类和我们已灭绝的近亲）和凶狠的巨型食肉动物不期而遇，这样的场景常有发生。在早更新世晚期（late-early Pleistocene era）——距今约 140 万至 80 万年前的欧洲，古人类不仅需要经常躲开当时顶级捕食者——拟剑齿虎、巨颏虎（一种剑齿虎）和欧美洲豹（欧洲最早的豹属），还会和巨型短面鬣狗正面对线。巨型短面鬣狗的身形接近拟剑齿虎，身高 1 米左右，但体长接近 2 米，体重重达 110 千克。除此之外，它们还有一个长约 40 厘米的头骨，擅长撕咬的牙齿以及可以咬断骨头的强大咬合力。不过由于体格庞大，它们并不擅长追逐猎物，而会选择盗窃剑齿虎的猎物，或者吃这些顶级捕食者遗留的动物尸体。↑ 巨型短面鬣狗的头骨和重建模型（图片来源：维基百科）据去年 9 月发表于《科学报告》（Scientific Reports）的一项研究，西班牙国家人类进化研究中心等机构的科学家发现，古人类从非洲到达欧洲后，为了获得肉食性食物，或许会和巨型短面鬣狗争夺一些动物尸体。这项研究还表明，中等规模的古人类群体可能是最擅长捡拾大型猛兽遗弃尸体的群体。可以说，古人类是当时最成功的食腐动物。腐肉争夺战肉类能为人类提供重要的营养元素，包括高质量的蛋白质、脂肪、铁、锌以及一些维生素等。如今，无数的烹饪手法更是带来了滋味多元的食肉体验，让很多人无肉不欢。但在人类开始使用火（距今约 100 万年前）之前，古人类食用动物源性食物更多是为了获得足够的能量。而这些肉类则反过来让古人类的大脑和身体得以发育，进而演化出了一些更为复杂的行为。先前的研究推测，剑齿虎遗弃的尸体数量可能足以维持欧洲南部早期人类种群的生存。在新研究中，科学家模拟了在早更新世晚期，2 种剑齿虎和欧美洲豹是否能留下足够的腐尸来养活巨型的鬣狗和古人类种群，以及古人类的群体规模如何影响他们和这些鬣狗之间的竞争。↑ 剑齿虎的重建模型和头骨如果一只巨颏虎每周猎杀一头猎物，据保守估计，在下一次杀死新猎物之前，它们实际上只会消耗尸体中 1/3 的可食用能量。因此，根据研究人员估计，两种剑齿虎遗弃的大型有蹄类动物的尸体数量，就足以让剑齿虎成为重要的腐肉提供者。随后，研究人员使用 6 个模拟实验评估了在两种不同生态场景中，古人类群体规模和捕食者密度对于他们和巨型的鬣狗之间竞争腐肉的影响。他们将每个实验重复 70 次。在实验中，他们假设巨型短面鬣狗是严格独居的。研究发现，当古人类的规模小于 5 人，且人口密度较低或中等时，他们将无法生存到模拟结束。而如果古人类的规模大于 5 人，最终种群的数量将会大于巨型短面鬣狗。不过，巨型短面鬣狗在所有测试条件下都存活了下来。研究人员通过模拟实验还发现，保持最佳的群体规模对于古人类食腐策略的成功至关重要。这种群体规模带来的积极影响会一直持续到群体规模增加到 13 个人，并在之后趋于平稳。这也阐明了一个事实：需要 10 个以上的古人类才能赶走任何捕食者。灭绝与生存不过从现今回看当时的欧洲，我们会发现欧洲的巨型短面鬣狗在 80 万年前已经灭绝，并没有活过早更新世晚期。一些研究人员认为，这种巨型的鬣狗十分依赖于剑齿虎捕食剩下的动物尸体。而随着剑齿虎灭绝，这些巨型的鬣狗也逐渐走向衰落。考古学家曾在西班牙的 Fuente Nueva-3 遗址中，发现了欧洲最早期的古人类曾和巨型鬣狗直接竞争大象尸体的证据。此外，这个遗址和格鲁吉亚 Dmanisi 51 遗址的考古证据都表明，古人类会以一定数量联合起来，一同挥舞棍棒或石头，大声喊叫，还会将鹅卵石和石灰石块作为投掷石块，以赶走掠食者和竞争对手。食腐是近代陆地生态系统中中型食肉动物的一种普遍行为。实际上，当代的狩猎采集者也有这样的行为。哈扎人是东非坦桑尼亚中北部的一个族群，他们会通过拾荒行为来获得 20% 的肉。对于他们来说，腐肉是一种“意外之财”。人体胃酸的 pH 值为 1.5 至 2.0。这比大多数动物的 pH 值要低得多，非常接近以腐肉为食的食腐动物。这也表明，在人类进化过程中，食腐肉可能比之前认为的更重要。研究人员认为，欧洲最早的古人类很可能是杂食动物，因为有灵活的杂食行为，他们能利用不同的植物和动物资源（包括腐肉）来补充能量，继而得以延续种群，逐渐壮大，并没有像巨型短面鬣狗一样走向没落。从巨型肉食动物口中抢夺食物，是当时的古人类需要面临的一个生存难题。如今人类虽然已经解决了食物和生存的大问题，更多与饮食和健康有关的问题却纷至沓来。来源：环球科学作者：clefable编辑：诸鹏飞审核：盛捷

2024-08-23
化石居然谎报年龄？

黔羽枝的根系往地下一扎，就让它“穿越”了一亿多年。一般来说，生物生活的年代与化石所在地层的年代是一一对应的。这很好理解，古老的地层中藏着古老的化石，年轻的地层中藏着年轻的化石。↑ 化石和地层地质学家就是用这种方法来确定古生物生活的时代。在地层中发现了古生物化石，只要用同位素测年法测定岩石的年龄，就可以知道古生物生活的时代了。↑ 中生代地层恐龙化石但是，有没有例外呢?有没有现代生物可以“穿越”回以前某个时代变成化石？或者有没有以前的古生物可以在最近才变成化石呢？听起来好像不可思议，但是理论上是可以的。如果你现在买一块五亿年前的三叶虫化石，然后扔到海里，那么它就有概率在若干年之后，沉积下来固结成岩，变成一块“新的旧化石”。↑ 雨花石中的菊石化石自然界中也可以发生类似的故事。山上含有古老化石的岩石掉到河里，经过河水的冲刷就能形成鹅卵石。这就是为什么雨花石中有丰富远古生物化石的原因。还有一种情况则更加神奇：古老的地层里出现了新近的生物化石。这又是怎么做到的呢？90年代，科学家在中国南方志留系顶部的地层里发现一种叫做“黔羽枝”的化石，它有着远超同时代植物的维管束结构，这意味着它们已经能独立在陆地上生存。↑ 黔羽枝化石维管束结构就是芹菜里面的细丝，负责运输水分和有机物质，是植物的“血管”。现存的维管植物多达25－30万种，但在志留纪，它们就像是“天外来物”。↑ 维管植物芹菜相关论文在《自然》杂志上发表后，国际同行惊骇万分，称黔羽枝的这种结构为“不可思议的结构”，连续组织多次科考队伍来中国进行考察。↑ 显微镜下黔羽枝的木质部管胞要知道，志留纪晚期的植物才刚刚登上陆地，样子还十分简陋，那时候最著名的原始陆生维管植物当属库克逊蕨，它们仅有几厘米高。↑ 库克逊蕨黔羽枝化石的谜团困扰了科学家几十年。后来，研究团队经过长期的分析和探讨，最终认为黔羽枝实际上是一种二叠纪植物，只不过它的根系插入到志留纪地层中，并被保存下来形成化石。事实证明，黔羽枝不是最古老的维管植物，这只是大自然的一个玩笑。黔羽枝的根系往地下一扎，就让它“穿越”了一亿多年。来源：一地地质文化编辑：诸鹏飞审核：盛捷

2024-08-16
“数字慧眼”，无损洞察远古生命奥秘

团队将致力于建设数字脊椎动物科学数据系统与三维数字形态学博物馆，以期全面揭示脊椎动物演化及其多样性起源。编者按：认识一种生物仅了解“外貌”还不够，内部结构也很重要，只是“向内探究”更难。中国科学院古脊椎动物与古人类研究所自主开发了一系列软件和方法，以非“解剖式”的方式洞察生物体内部的奥秘。从“有损”到“无损”过去，古生物学者们利用研究化石自然破口或可控碎裂等类似解剖的方式，研究化石生物的脑腔等重要内部结构。这种方法虽然直观有效，但会造成化石不可逆的损伤。伴随科技的飞速发展，以CT和同步辐射断层成像为代表的X射线三维无损成像技术为传统古生物学研究打开了崭新的局面，挖掘出大量蕴含在化石内部的前所未知的信息。然而，随着CT等成像数据的增长积累，如何准确、高效地对海量数据进行分割、重建？如何跨越学科与平台，将化石与现生生物成像数据结合开展研究？如何向公众展示生物的三维形态美？这些问题亟待解决。为了应对这些挑战，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所成像与可视化研究团队结合过去十几年在CT和三维重建方面的经验，针对古生物及现代生物的科研实际需求开展研究，取得了一系列成果。▲中国科学院古脊椎动物与古人类研究所、中国科学院高能物理研究所和中国科学院自动化研究所联合研发的古生物专用CT扫描机器（左）以及部分扫描案例（右）。自主研发三维可视化新技术过去常用的CT数据处理和三维重建软件主要为医学等应用场景研发，对于古生物化石数据的应用而言，存在重建结构不清晰、结果不可重复、准确性难以验证的问题，且价格极为昂贵。对此，团队以开源三维可视化软件Drishti为平台，首次实现了三维重建文件在不同软件中的互通和编辑，以及三维重建结果的即时交叉验证。团队还进一步研发了能同时在二维与三维环境下对三维数据进行分割的免费软件新版本Drishti Paint 3.2，大幅提高了化石CT数据分割效率，打破三维重建对大型商业软件的依赖。▲从Drishti导入三维分割体数据文件流程三维表面模型是重要的三维数据文件形式，而目前已有的免费三维模型处理软件存在上手困难、操作复杂、无法处理大数据文件等诸多问题。团队为此研发了专门用于处理三维表面模型的免费软件Vayu（娲鱼），针对化石及现代生物成像数据可视化用户需求和学习曲线进行优化，在进一步提升可视化效果的同时，拥有快捷、容易上手的优点，可广泛应用于古生物、生命科学、医学、考古等多学科的科研、教学、科普等领域。▲Vayu主界面与三维渲染应用▲Vayu制作的角鲨三维重建VR视频。从古生物到现代生物三维形态学研究演化生物学的发展越来越强调化石与现生生物数据的综合，而现生脊椎动物胚胎的CT扫描与三维成像一直是脊椎动物研究中的难题。团队成功摸索出一套针对现生脊椎动物样本CT扫描全流程的实验方案，覆盖了从扫描前样本预处理、高精度CT扫描、数据三维重建与分割，到三维可视化复原及三维动态数据分析于一体的整个流程，收集并初步分析了一大批现生脊椎动物胚胎发育序列的形态学数据。▲脊椎动物CT扫描样本预处理到三维数据分析。a. CT扫描样本照片；b. 脊椎动物主要门类胚胎三维重建模型。接下来，团队将继续创新技术、方法，面向全球发起脊椎动物三维形态图谱绘制计划，致力于建设数字脊椎动物科学数据系统与三维数字形态学博物馆，以期全面揭示脊椎动物演化及其多样性起源。▲结合CT扫描与最新三维可视化技术对古生物进行高精度科学复原。来源：中科院之声编辑：诸鹏飞审核：盛捷

2024-08-02

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