■本报记者 陈彬

地球上目前生活着超过百万种动物，在46亿年的地球演化过程中，已灭绝的动物种类更是不计其数。这些动物形态、习性各异，但绝大部分都拥有一个共同特点——骨骼。

无论是人类、猫狗、禽鸟体内起支撑作用的内骨骼，还是珊瑚、腕足动物、软体动物体外起防御作用的外骨骼，都对生命体的生存起着至关重要的作用。但这些骨骼是何时产生的，又是怎样产生的，一直吸引着人们持续探索。

不久前，西北大学地质学系教授张志飞团队联合国内外专家首次发现了与骨骼矿化结构相关的表皮组织在寒武纪生物大爆发期间的证据，证明了即便是寒武纪时期出现的疑难动物，即不归于任何已知动物门类的原始动物，也具有形成现代高等动物复杂矿化骨骼的能力。

近日，相关成果发表于《地质学》。

尚未解决的问题

根据现有研究，地球上已知最早的动物，其矿化骨骼记录来源于5.6亿年至5.2亿年前寒武纪生物大爆发时期。动物很可能在此时获得了各种矿化能力，进而产生骨骼。

为什么会出现骨骼？传统观点认为，这可能与捕食者和被捕食者之间的“军备竞赛”，以及海洋化学环境密切相关。

“这仅仅是一种猜测。”张志飞在接受《中国科学报》采访时表示，事实上，不仅“最早矿化骨骼为什么出现”的问题尚未找到答案，在寒武纪时期，后生动物如何控制矿化骨骼形成也一直困扰着科学界。后生动物即动物界中除原生动物门外的所有多细胞动物。

究其原因，主要在于前寒武纪—寒武纪界限附近发现的小壳化石材料只是不同程度地保存了较精细的壳体形态，但没有相关证据证明是什么控制形成了早期动物骨骼。

“现代生物学研究认为，虽然不同动物骨骼的矿化机制和生理过程可能不同，其矿化结构均是在表皮组织或结缔组织的控制下形成的。”张志飞说，比如大部分贝壳、珊瑚等生物的外骨骼是由表皮细胞控制形成，而人类的内骨骼则是由结缔组织形成。

但是，地球最早出现的具有骨骼的化石群（小壳化石）是否已经有了类似分化？寒武纪丰富的骨骼化石又是如何矿化形成的？对于这些问题，目前科学界开展的研究极少，更缺乏足够的论证证据。

张志飞团队的研究瞄准的便是此类问题。

一个假说的证明

这项研究从一种生活在寒武纪、名叫“开腔骨”的疑难动物化石开始。

“早在上世纪初，人类就已经发现了开腔骨化石，但经过100多年的研究，仍然没有在相关化石上发现控制骨骼形成的生物结构。”张志飞的博士生胡亚洲说。

但就在2021年，胡亚洲却在自己家乡徐淮地区的地层中发现了多门类小壳化石群，其中就有开腔骨化石。

两年后的2023年，正在瑞典参加国际会议的张志飞、胡亚洲等人，需要完成一份国家项目申请。他们在讨论项目申请时，张志飞提出了一个假说——在寒武纪时期，动物或许已经有了“表皮细胞形成外骨骼、结缔组织形成内骨骼”的分化了。

“当时，这只是张老师的一个猜想，但我忽然想到，之前对开腔骨化石进行研究时，化石的某些特征或许可以印证这一猜想。”胡亚洲说。

此后几年间，研究团队对开腔骨的化石骨片进行了更加深入的研究。

开腔骨化石由大量星射状骨片构成，每个骨片由很多长长的针状凸起（射骨）组成。这些凸起相互联系，骨片上存在大量以黏土形式保存的多边形结构，这些多边形包覆整个开腔骨骨片，且在组成骨片的各射骨间也有发现。

张志飞团队在研究中发现，这些多边形网状结构在大小、形态和显微结构上，与现生软体动物“珠母贝”的棱柱层间有机质框架存在极大相似性。

胡亚洲告诉《中国科学报》，棱柱层是软体动物贝壳的重要组成部分，位于外层角质层与内层珍珠层之间主要由碳酸钙构成，呈现出多边形棱柱状结构。棱柱状结构间存在的多边形有机质框架，近似于开腔骨骨片上的多边形结构。

“更重要的是，现代研究已经证明，珠母贝的这层结构是由其表皮细胞控制形成的。根据地质学研究中‘将今论古’原则，我们完全可以断定，开腔骨类化石骨片上有机质框架的形成同样受控于表皮细胞。”胡亚洲说。

研究范式的创新

结合软体动物有机质框架的形成过程及形成机制，研究团队进一步认为，开腔骨类化石具有表皮细胞包围形成的真体腔，同时具有真后生动物以表皮细胞形成表皮组织，进而控制外部骨骼矿化的能力。真后生动物是具有明确细胞组织分化的多细胞动物。

值得一提的是，在身体结构上，开腔骨与另一种存活至今的古老生物“海绵”也有很多相似之处。基于此，传统观点认为，开腔骨属于海绵动物，至少与海绵存在较近的亲缘关系。

然而，以海绵为代表的侧生生物，其身体结构的形成并不涉及任何组织的分化。从这一点上，张志飞团队的发现完全否定了开腔骨与海绵动物的“亲缘关系”。

除了为远古疑难动物矿化骨骼的能力“正名”外，评审专家表示，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”。

“从提出假说到利用现代方法加以证明，我们在研究范式上进行了一定创新。”张志飞说，团队未来会将研究扩展至其他门类的化石材料。“比如某些节肢动物和软体动物化石上所保留的信息，都有待以现有理论加以印证。在这方面，我们还有很多工作要做。”

相关论文信息：

https://doi.org/10.1130/G53623.1