科研进展
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南京古生物所研发大型化石表面元素分析仪器近期，中国科学院南京地质古生物研究所王伟研究员团队研发的“非破坏性立体化石及文物表面化学元素分布特征分析方法”获得国家发明专利授权（授权公告号:CN111624218B）。
近期，中国科学院南京地质古生物研究所王伟研究员团队研发的“非破坏性立体化石及文物表面化学元素分布特征分析方法”获得国家发明专利授权（授权公告号:CN111624218B）。
我们常见的化石多为硬体骨骼化石，软躯体化石可以提供更多生物信息，但由于生物死亡后腐败降解等原因通常难以保存。然而，软躯体在降解过程中会释放不同类型的有机物，这些有机物与周围的沉积物发生反应，往往会在化石周围的岩石中留下一些化学元素信息。
此前通常用电子显微镜的能谱（EDS）或同步辐射X射线荧光光谱（SXRF）检测化石表面的化学元素分布。这些分析需要将样品-X射线光源-探测器（简称“样-源距离”）之间的距离保持一致，才能获得化石形状和元素浓度的综合图像。如果开展一定面积的检测，就需要将化石及围岩磨成平面（或不断调整样品位置，这几乎很难实现），才能保持“样-源距离”不变。但磨平这种破坏性方法对于重要化石来说是难以接受的，因此无损伤检测手段亟待探寻。
王伟团队此次新研发的三维X射线荧光扫描仪，是通过建立化石及其围岩表面的空间数学模型、实时移动检测器和X射线光源的空间位置，实现它们与化石及围岩表面保持同等距离。该方法克服了化石及围岩立体表面对分析结果的干扰，同时也避免了样品需要磨平带来的损害。
此外，该扫描仪还增加了惰性气体喷气口，可以降低大气中的氧气、氮气对测量结果的影响，使得测量环境可与真空媲美；激光漫反射能量检测反馈系统可以实现非光滑表面的精准检测，从而使大型化石表面化学元素分布的无损测量成为可能。
三维X射线荧光扫描仪的研发为古生物学-地质学研究提供了新工具，也可以为文物等相关领域开展元素级样品鉴定提供参考。
该项目得到了中国科学院、国家自然科学基金委、现代古生物学和地层学国家重点实验室经费支持。
三维X射线荧光扫描仪
通过三维X射线荧光扫描仪对贵州龙化石进行检测并得到元素分布示意图。其中，左边为待测样品贵州龙化石，右边为Ca元素含量分布图，元素含量越高，则在图中显示的颜色越深。162023-01 -
研究揭示南京花子房内有被包裹的胚珠近日，中国科学院南京地质古生物所王鑫研究员、傅强研究员等利用微CT技术穿透南京花化石材料、揭示了肉眼无法直接观察到的化石内部结构。相关研究结果于2023年1月9日发表在英国自然出版集团《科学报告》（Scientific Reports）上。
被子植物既给人类提供了重要的生活资料，其美丽的花朵也给平凡的世界增添了几分美丽。植物学家一直在寻找最早的被子植物花朵、探索被子植物的起源和历史。古植物学家长期认为，白垩纪之前没有被子植物。2018年，最古老的花朵化石南京花（Nanjinganthus）的发现则打破了这种观点。南京花保存于1.74亿年前的早侏罗世地层，比白垩纪还要再早大约5千万年，引起了国际上的广泛关注和热烈争论。
近日，中国科学院南京地质古生物所王鑫研究员、傅强研究员等利用微CT技术穿透南京花化石材料、揭示了肉眼无法直接观察到的化石内部结构。相关研究结果于2023年1月9日发表在英国自然出版集团《科学报告》（Scientific Reports）上。
在2018年的文章中，由于当时的技术手段只能看到破开的子房中的胚珠，封闭子房中是否有胚珠无从得知。因此，此前的研究结果中显示的南京花胚珠和封闭子房这两个结构并不是在同一朵花化石中看见的，由此也引发了一系列争议。
此次科研团队对三维保存的南京花炭化压型标本进行了Micro-CT研究，成功观察到了南京花封闭子房内部保存的胚珠——而这正是被子植物的关键特征。该发现再次明确了南京花的被子植物属性，也确认了被子植物在侏罗纪的存在，有助于进一步理清对被子植物早期历史的认识。
本研究得到了国家自然科学基金委、中科院战略性先导科技专项（B类）的支持。
论文相关信息： Fu, Q., Hou, Y., Yin, P. et al. Micro-CT results exhibit ovules enclosed in the ovaries of Nanjinganthus. Sci Rep 13, 426 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-27334-0.
南京花子房内被包裹的胚珠
南京花的复原图102023-01 -
研究发现臭氧层破坏导致二叠纪末陆地生物大灭绝的直接证据2.52亿年前的二叠纪末大灭绝造成了约81%的海洋物种和89%的陆地物种灭绝，其主要原因被认为是大规模火山喷发导致的环境变化，但仍缺乏环境因素影响陆地生态系统的直接证据。中国科学院南京地质古生物研究所刘锋研究员与英国、德国同行等合作，通过研究该时期化石花粉粒中“防晒霜”含量的变化，发现臭氧层破坏导致二叠纪末陆地生物大灭绝的直接证据，研究成果于2023年1月6日在线发表于国际知名期刊《科学进展》(Science Advances)。
2.52亿年前的二叠纪末大灭绝造成了约81%的海洋物种和89%的陆地物种灭绝，其主要原因被认为是大规模火山喷发导致的环境变化，但仍缺乏环境因素影响陆地生态系统的直接证据。中国科学院南京地质古生物研究所刘锋研究员与英国、德国同行等合作，通过研究该时期化石花粉粒中“防晒霜”含量的变化，发现臭氧层破坏导致二叠纪末陆地生物大灭绝的直接证据，研究成果于2023年1月6日在线发表于国际知名期刊《科学进展》(Science Advances)。
二叠纪末期的大灭绝事件是显生宙最大一次灭绝事件。科学家们普遍认为二叠纪末期西伯利亚大火成岩省的喷发造成的全球温室气体增加，全球变暖以及海洋酸化可能是引起这次灭绝的主要诱因。但对于这些环境因素如何影响陆地生态系统到目前还有很多争论。
一些孢粉学家在陆相二叠—三叠纪过渡剖面发现了一些畸形孢子和花粉，推测这些畸形孢子或花粉可能是由西伯利亚大火成岩省喷出的卤族元素造成的全球臭氧层破坏诱发的紫外线辐射增加引起的。但通过对现代植物中产出的畸形孢子和花粉的研究表明，这些畸形花粉和孢子产生的环境背景十分复杂，干旱、空气污染以及植物体的外伤都有可能诱发植物体产生畸形孢子或花粉，所以单凭在陆相二叠-三叠纪过渡剖面发现的少量畸形孢子和花粉并不能直接证明二叠纪末期大灭绝期间存在全球臭氧层空洞引起的紫外线辐射增加。
植物体需要阳光进行光合作用，为植物体生长提供能量，但又要避免阳光中有害的紫外线对植物体特别是植物生殖细胞（孢子和花粉）中遗传信息的破坏。为了适应陆地辐射环境，陆生植物演化出了一些调控机制，以减少紫外线对植物体的伤害。在植物体的生殖细胞中这种机制表现为植物的孢子和花粉的外壁中含有大量功能与“防晒霜”十分相似的化合物（香豆酸和阿魏酸），这些化合物可形成共振稳定的酚自由基，抵抗紫外线引起的氧化作用，从而保护脆弱的孢子和花粉，为陆生植物的传播和繁衍提供了保障。
现代植物学家已经观察到植物体可以根据周围的紫外线辐射环境，自动调节其生殖细胞外壁“防晒霜”的含量，同时这些“防晒霜”可以在惰性的孢子和花粉外壁中保存很长时间。因此,理论上我们可以通过对这些孢子和花粉中“防晒霜”含量的测定反推地质历史时期大气紫外线辐射强度。
研究团队运用傅里叶变化红外光谱，对产自我国西藏南部二叠——三叠纪过渡剖面的1011粒阿里型花粉中的香豆酸和阿魏酸进行了定量测量，通过对这些花粉产出的红外光谱的大数据分析，发现在二叠纪末大灭绝期间地层中花粉外壁的香豆酸和阿魏酸含量明显高于灭绝前后化石花粉中该化合物的含量。直接证明了二叠纪末期大灭绝期间存在全球紫外线辐射增加的现象。同时，研究团队也对剖面地层的有机碳同位素和汞的浓度进行了分析，发现这两个指标的异常波动与化石花粉中出现大量香豆酸和阿魏酸的层位基本相当，进步确认二叠纪末期全球紫外线辐射的增加可能是由于当时剧烈的火山活动引起的。
空气中紫外线辐射量的增加对整个陆地生态系统具有深远的影响。由于紫外线不仅对植物的生殖细胞具有很强的杀伤作用，同时也会对植物体叶肉细胞造成破坏。为了抵御紫外线对叶肉细胞的破坏，植物体会在其叶片中大量合成叶黄素、香豆酸和阿魏酸等，相应减少叶绿素的合成，从而导致植物体光合作用的减弱，进而使得植物体对于温室气体吸收能力减弱，进一步加重了二叠纪末期火山喷发引起的全球温室气体增加。另外，叶肉中的叶黄素、香豆酸和阿魏酸等对于食草动物以及昆虫来说是一种很难消化且营养价值较低的化合物，所以紫外线辐射的增加间接影响了陆地食物链，可能是导致二叠纪末陆地食草动物以及昆虫大灭绝的主要原因。
该研究得到国家自然科学基金委、第二次青藏高原科学考察与研究、中科院战略性先导科技专项（B类）、德国研究基金会、自然环境研究委员会和人类前沿科学计划的资助。
论文相关信息：Liu, F.*, Peng, H.P., Marshall, E.A.J., Lomax, B.H., Bomfleur, B., Kent, M.S., Fraser, W.T., Jardine, P.E.* (2023). Dying in the Sun: Direct evidence for elevated UV-B radiation at the end-Permian mass extinction. Science Advances 9, eabo6102. http://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo6102.
藏南曲布剖面二叠纪末期黑色页岩
曲布剖面二叠-三叠系过渡地层中发现的花粉化石（阿里粉）
臭氧层破坏引起的紫外线辐射增加对陆地食物链的影响072023-01 -
内蒙古白垩纪球果状花朵解剖学研究新进展在早白垩世已经发现了多种早期的花（被子植物的生殖器官），但其中大多数缺乏解剖学细节。这使得现存的被子植物和化石之间留有很多未知之谜。中国科学院南京地质古生物研究所王鑫研究员，与西班牙比戈大学及澳大利亚昆士兰标本馆开展国际合作，利用石蜡切片技术深入研究了来自内蒙古早白垩世植物化石的生殖器官。相关研究结果近日发表在瑞士出版的学术期刊《生命》（Life）。
在早白垩世已经发现了多种早期的花（被子植物的生殖器官），但其中大多数缺乏解剖学细节。这使得现存的被子植物和化石之间留有很多未知之谜。中国科学院南京地质古生物研究所王鑫研究员，与西班牙比戈大学及澳大利亚昆士兰标本馆开展国际合作，利用石蜡切片技术深入研究了来自内蒙古早白垩世植物化石的生殖器官。相关研究结果近日发表在瑞士出版的学术期刊《生命》（Life）。
此次研究的这枚距今约一亿年的化石来自内蒙古锡林浩特胜利煤矿，研究人员将其命名为胜利锡林花（Xilinia shengliensis）。胜利锡林花极易被认为是裸子植物球果，但通过使用石蜡切片技术研究，发现其胚珠是被包裹的。在古植物学研究中，人们进行解剖学研究通常是通过磨片来实现，这种手段在技术好的情况下，用1毫米的材料可以获得一个切片。此次研究中使用的石蜡切片技术则允许从1毫米的材料获取100个切片。
胜利锡林花生殖器官的解剖学细节表明，虽然在一般形态上类似于裸子植物球果，但它的胚珠是封闭的，后者的特征到目前为止只限于被子植物。因此，胜利锡林花可能代表了被子植物进化史中的一个过渡性化石。
研究得到了中国科学院和国家自然科学基金的资助。
论文相关信息：Wang, X.; Diez, J.B.; Pole, M.; García-ávila, M. An Anatomically Preserved Cone-Like Flower from the Lower Cretaceous of China. Life 2023, 13, 129. https://doi.org/10.3390/life13010129.
胜利锡林花及其细节
胜利锡林花的花被片、心皮和花轴的细节
胜利锡林花的复原图042023-01 -
寒武纪生物古地理格局与多样性演变的耦合关系研究基于PBDB数据库（https://paleobiodb.org）中4万余条寒武纪无脊椎动物化石产出记录数据，结合网络分析法，对此关键时期的生物古地理格局进行了深入剖析，并探讨寒武纪大爆发及随后的若干次规模不一的生物灭绝事件是如何在全球尺度上对上述格局造成影响。
寒武纪是海洋生物与环境协同演化的关键时期，记录了地质历史中最重要的生物演化事件之一。在这一时期几乎所有的动物门类相继出现，并在相对较短的一段时期内(距今5.6-5.2亿年前)，发生了快速的生态分化和扩张，从而奠定了显生宙以来海洋生态系统的基础。
这一生物事件已被诸多学者广泛研究并深入讨论，并通过将多样性分解为alpha、beta和gamma三个不同尺度；一些研究还揭示了寒武纪大爆发本质上主要是由群落间多样性在第二阶向第三阶过渡期间的快速增长所驱动的。然而，在此过程中，地区间不同群落的分化究竟如何表现在地理空间上，即生物古地理的具体演变模式，一直缺乏基于多门类古生物数据的定量化评估。
近期，中国科学院南京地质古生物研究所地层古生物大数据中心副主任那琳博士、现代古生物学和地层学国家重点实验室李启剑副研究员，与德国埃尔朗根-纽伦堡大学的科研人员合作，基于PBDB数据库（https://paleobiodb.org）中4万余条寒武纪无脊椎动物化石产出记录数据，结合网络分析法，对此关键时期的生物古地理格局进行了深入剖析，并探讨寒武纪大爆发及随后的若干次规模不一的生物灭绝事件是如何在全球尺度上对上述格局造成影响。相关成果近期发表在国际理论古生物学权威期刊《古生物学》（Paleobiology）上。
研究发现，基于种级分类单元的网络组成显示，在寒武系的前三阶表现为全球生物地理有地区性逐渐加强的趋势，并在第四阶到达辐射期峰值（图1）；海洋生物的平均分布范围则随着时间的推移逐渐收缩，移动能力较强的古生物化石产出记录比例亦在此期显著增加。上述结果不但从生物古地理的角度验证了寒武纪大爆发全球多样性的增长主要是由beta多样性驱动的假说，而且详细勾勒出每个阶生物区演变的细节（图2），暗示了生物地理区域性的增强可能进一步加速了全球多样性的增长。而在古杯动物灭绝事件（AECE）的发生之后，伴随着全球生物区的高周转率，乌溜期的生物古地理格局也几乎被完全重置，表明灭绝事件能对生物古地理格局产生至关重要的影响。
相关研究得到了中国科学院战略先导专项、中国科学院青促会项目和国家重点实验室基础课题等的资助。
论文相关信息：Na, L., Kocsis, á, Li, Q.*, & Kiessling, W. (2022). Coupling of geographic range and provincialism in Cambrian marine invertebrates. Paleobiology, 1-12. https://doi.org/10.1017/pab.2022.36.
图1 寒武纪生物古地理地区性指标（PIE）的变化曲线（PIE值越高，表明地区性越强）
图2 基于网络分析法寒武系各个阶的生物古地理格局（不同颜色和数字的多边形代表了不同的生物区）032023-01 -
密西西比亚纪中-晚期全球气候变冷导致珊瑚礁系统崩溃研究人员利用腕足类壳体氧同位素、以及生物礁和多门类化石多样性统计，揭示了密西西比亚纪中-晚期气候变冷与珊瑚礁系统崩溃和生物多样性减少的关系。
晚古生代大冰期的起始时间、演化历程、及其对海洋生物演化的影响一直是科学家关注的热点问题。晚古生代大冰期的广泛发育（即冰期主幕）一般认为开始于密西西比亚纪中-晚期（维宪期-谢尔普霍夫期），但基于高纬度冰川沉积、低纬度海平面变化、化石氧同位素等记录，不同学者对冰期主幕开始时间的认识并不一致，观点包括：维宪晚期、维宪期-谢尔普霍夫期之交、谢尔普霍夫早期、谢尔普霍夫晚期。
另外，前人研究发现密西西比亚纪中-晚期发生了一次显著的生物灭绝事件，导致约39%属级别的海洋无脊椎动物灭绝，这次生物灭绝还伴随显著的古生态变化，排在显生宙所有生物灭绝中的第5位；最近研究发现，维宪晚期存在全球珊瑚礁繁盛，谢尔普霍夫期珊瑚礁丰度显著降低。因此，目前关于密西西比亚纪中-晚期气候变化过程及其与海洋珊瑚礁丰度和生物多样性变化关系的认识还不清楚。
中国科学院南京地质古生物研究所晚古生代研究团队要乐副研究员等人，与美国内华达州立大学拉斯维加斯分校蒋干清教授，台湾师范大学米泓生教授，法国图卢兹第三大学Markus Aretz教授，南京大学王向东教授共同合作，利用腕足类壳体氧同位素、以及生物礁和多门类化石多样性统计，揭示了密西西比亚纪中-晚期气候变冷与珊瑚礁系统崩溃和生物多样性减少的关系。相关研究成果发表在地学领域国际知名期刊《全球和行星变化》（Global and Planetary Change）上。
该研究选取了华南出露连续、生物地层详实、且富含腕足类化石的贵州雅水剖面和广西甘垌子剖面，有孔虫生物地层确定剖面的时代为密西西比亚纪维宪晚期-谢尔普霍夫期。首先对采集的腕足类化石进行属种鉴定，之后对腕足类壳体进行扫描电镜、阴极发光、主微量元素等分析，最后选取结构保存好、未明显经受后期成岩改造的腕足类壳体进行无机碳、氧同位素测试；另外，对该时期的生物礁丰度，以及珊瑚和有孔虫多样性进行了统计。
研究发现在密西西比亚纪维宪晚期（Asbian-Brigantian之交）腕足类壳体氧同位素存在一次显著正偏，幅度约2‰，其指示该时期古海水温度降低约5℃。维宪晚期这次显著气候变冷事件与高纬度冈瓦纳大陆冰川发育、低纬度海平面降低和高频率旋回地层发育等相一致，它们共同指示这次全球气候变冷可能代表了晚古生代大冰期主幕的开始。同时，这次变冷事件伴随珊瑚礁丰度和底栖生物多样性的明显减少；随着谢尔普霍夫期气候的持续变冷，珊瑚礁丰度逐渐降低，于谢尔普霍夫晚期达到最低值。
通过无机碳、氧、锶同位素变化曲线的对比研究，发现在维宪晚期变冷转折期，锶同位素的正偏早于无机碳同位素，后者早于氧同位素，其指示密西西比亚纪中-晚期的气候变冷可能与大陆风化作用增强导致更多营养元素输入海洋，进而导致海洋初始生产力提高和有机碳埋藏量增加有关。
该论文被评为《全球和行星变化》期刊2022年度最佳论文，共有18篇论文入选，涉及的研究方向包括全球构造（2篇）、地表过程与地貌（4篇）、现代气候系统（2篇）、深时生物演化（2篇）、中生代陆地气候与演化（5篇）以及第四纪古海洋（3篇）。
该研究得到国家自然科学基金委、中科院战略性先导科技专项（B类）和中国科学院青年创新促进会的资助。
论文相关信息：Yao, L. , Jiang G.Q., Mii, H.S., Lin, Y.F., Aretz, M., Chen, J.T., Qi, Y.P., Lin, W., Wang, Q.L., Wang, X.D., 2022. Global cooling initiated the Middle-Late Mississippian biodiversity crisis. Global and Planetary Change, 215, 103852. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2022.103852.
密西西比亚纪古海水温度与海洋珊瑚礁丰度和生物多样性协同演化关系
腕足类壳体扫描电镜下纤维状（A-C）和棱柱状（A, D）结构
腕足类壳体单偏光（A, C）及其对应的阴极发光（B, D）图片262022-12 -
化学地层学全球对比研究的一种新方法及其应用地层划分和对比是地层学也是化学地层学研究的主要任务。中国科学院南京地质古生物研究所王伟研究员团队经过长期探索，提出了化学地层学研究的一种新方法——等时等环境线（Isochronline）研究，用于从混合数据中提取出可全球对比的信息，同时对该方法进行了理论证明，并在二叠系乐平统-瓜达鲁普统界线辅助剖面中进行了验证。
地层划分和对比是地层学也是化学地层学研究的主要任务。中国科学院南京地质古生物研究所王伟研究员团队经过长期探索，提出了化学地层学研究的一种新方法——等时等环境线（Isochronline）研究，用于从混合数据中提取出可全球对比的信息，同时对该方法进行了理论证明，并在二叠系乐平统-瓜达鲁普统界线辅助剖面中进行了验证。研究成果近期发表在国际地学期刊《岛弧》（Island Arc）和《地质学杂志》（Geological Journal）上。
化学地层学是利用沉积物的各种地球化学信号及其在地层中的变化规律，并结合其物源信息和环境意义，对地层进行划分和对比的一种手段。因此，化学地层学通常能够连续采样获得较为完整的信息（生物地层研究中经常会遇到化石缺失的问题），有明确的环境指向，以及完全的定量指标等优势。
然而，化学地层学也同样存在缺陷。任何地方的沉积物均为当地沉积环境、物源区环境和全球事件的混合记录，当进行全球对比的时候，很难知道具体有多少比例的数据是来自当地的，又有多少比例是全球事件叠加的。因此，如何从地方性的环境信息中提取出可以用于全球对比的“纯”信号是关键。
研究团队历经近20年的探索、尝试，提出了“等时等环境线”的研究方法，用于寻找可全球对比的地球化学“纯”信号，并对这些方法进行了沉积学和空间几何方面的证明。
等时等环境线是一组与沉积相无关的化学地层数据，可以通过顺着岩层走向的横向测量或开阔露头的网格化测量（Grid Mapping）等方法获取。与提供沉积环境“混合记录”的传统化学地层数据不同，它可以用来评估全球环境信息。研究团队还介绍了使用哪些分析手段或设备可以简单有效地测量地层剖面、开展样品采集、实现数据可视化，甚至细微到应该采集岩层中的哪个位置的样品。
此外，研究团队还对沉积学和地层学基本原理瓦尔特相律，包括穿时现象等给出了其存在例外的理论证明。此次研究成果给化学地层学研究提供一条新的途径，也在一定程度上给予地层学其他领域一些新的思路。
相关研究得到了中国科学院先导专项B、国家自然科学基金委和科技部等项目资助。
论文参考信息：
Wang, W. (2022). Isochronline in chemostratigraphy for global correlation and an exception of the Walther's law of facies. Island Arc, 31(1), e12470. https://doi.org/10.1111/iar.12470.
Ma, Q., Ye, F., Wang, W*. Sheng, Y., Shu, L., & Chen, X. (2021). Grid mapping revealed hidden geochemical lens and its chemostratigraphic bias in the middle-upper Permian marine carbonate sequence in Laibin, South China. Geological Journal, 56(12), 6088–6101. https://doi.org/10.1002/gj.4156.
图1 用于证明地层中的相关剖面、岩石层面、Isochronline、沉积相等的三维模型。如上图，Isochronline 0和Isochronline 1分别是今天和N年之前某天形成的沉积物的虚拟线。
图2 网格化地层学研究的模型，各种测量剖面及其和Isochronline之间的关系。
图3 剖面上等时间点和Isochronline及岩石横向展布之间的关系模型。我们都在说地层是穿时的，但如何在一个横向延展的岩层上找到纵向剖面上某个点的等时位置，是我们非常关心的问题。
图4 二叠系乐平统-瓜达鲁普统界线辅助层型剖面地球化学地图。很明显，同一层岩石的地球化学特征各有不同。比如，钙和铁这些与沉积环境和物源有关的指标，基本上顺层分布，但碳同位素组成就出现明显的穿层现象。在一些展布很广的剖面上，这种现象，可能是不同研究人员发表的数据存在差异的原因。262022-12 -
石板滩生物群发现新的恰尼虫化石研究发现恰尼虫标本与后生动物遗迹化石可以保存在同一层面上（图2.3），说明恰尼虫能够生活于后生动物存在的环境中，这种共存的关系可对造迹生物与埃迪卡拉化石之间的生态相互作用提供了重要的启示意义。
恰尼虫（Charnia）是最具代表性的埃迪卡拉化石之一，在阿瓦隆组合（距今约5.75-5.6亿年前）、白海组合（距今约5.6-5.5亿年前）、纳玛组合（距今约5.5-5.39亿年前）三种面貌不同的埃迪卡拉生物群中都有发现；其也是迄今为止研究得最多的埃迪卡拉化石之一。然而关于恰尼虫亲缘属性、生长发育模式以及生活方式等科学问题至今仍没有一致的结论。
此前，恰尼虫属仅有其模式种梅森恰尼虫(Charnia masoni）一个种。在前人的研究结果中，恰尼虫属曾有其他3个形态种，但是它们随后要么被归入其他的形态属，要么被厘定为模式种的同物异名。因此，人们认为恰尼虫可能在其延续的约三千万年的时间里都保持了较高的形态稳定性。但也有科学家认为是由于恰尼虫化石保存的形态信息有限，使得没有足够的特征数据（尤其是定量的数据）开展种一级别的细分工作。
产自我国湖北三峡地区埃迪卡拉系灯影组灰岩中的石板滩生物群（距今5.5~5.43亿年），是世界上为数不多的产于碳酸盐岩当中的埃迪卡拉生物群。经过十余年的挖掘，中国科学院南京地质古生物研究所早期生命研究团队的科研人员在石板滩生物群中，共计发现了12枚恰尼虫化石标本（图1、2），并展开了详细的研究。相关成果发表在国际知名古生物学期刊《古生物学杂志》（Journal of Paleontology）上。
通过对来自石板滩生物群以及世界各地已发表的恰尼虫标本进行叶状体与各级分枝结构的形态测量，研究发现可将石板滩生物群的标本分为两种类型。一种类型可归入模式种，即梅森恰尼虫（Charnia masoni；图1.1、1.2）；另一种类型则归入本次研究新建立的种——细长恰尼虫（Charnia gracilis new species；图1.3-1.8、2）。
本次研究通过定义一个用于衡量初级分枝弯曲程度的新参数X，系统比较各地标本的参数X以及初级分枝与中线之间的夹角（分枝角度），发现细长恰尼虫与梅森恰尼虫在这两种数据中的平均值分布都有较大差异（图3）。具体而言，细长恰尼虫具有更为细长且笔直的初级分枝，具有较小的分枝角度（≤20°）；而梅森恰尼虫的初级分枝为S形，通常具有相对较大的分枝角度（>20°）。因此，通过详细的形态测量可推测，恰尼虫属不止包含模式种这一种类型，细长恰尼虫可能在此前的研究中被忽略了。
研究发现，来自石板滩生物群的恰尼虫标本还证实了其两阶段生长模式的假说。在石板滩段的材料中，有两个体型较小的叶状化石可视作幼年时期的恰尼虫，它们的初级分枝数量（~10）要明显少于恰尼虫最大的标本（≥26），这说明初级分枝数量的增长是该类生物的一个关键生长方式。另一方面，对于不同的单个标本而言，无论是位于叶状结构顶端还是中下部的初级分枝，其上的次级分枝数量是接近的，但是次级分枝的形状却是随着标本大小而变化，同时次级分枝的面积大小也随着叶状结构的长度而增大（图4）。因此，恰尼虫主要通过前期初级分枝数量上的增长和后期初级分枝体积膨大而增长，而初级分枝的生长主要通过次级分枝体积的膨大实现。
来自石板滩生物群的恰尼虫标本亦表明了这种生物营底栖固着、直立生长的生活方式。尽管恰尼虫被广泛地视作一种底栖生物，对于它在海床上的生长姿势却存在不同观点。一些学者认为恰尼虫是倒伏在海底上生长的，认为它们可能具有背、腹两面，而化石保存下来的总是同一面；而更多学者则认为恰尼虫营固着直立生活。此次在石板滩生物群中发现了一枚恰尼虫标本，其具有一个扭曲的茎（图1.1），这很可能是该生物个体死前被水流影响所导致，从侧面证明了恰尼虫营固着直立生长的观点。
恰尼虫具有固着器的这一特点也与固着直立的生长习性相符合，虽然恰尼虫保存固着器的相关化石证据很少。石板滩生物群中有两枚恰尼虫标本保存了固着器结构（图1.1、1.7），尤其是上述具扭曲茎的恰尼虫标本，有一个较大的圆盘状固着器，固着器上发育有丝状结构。这可能是在水流作用下，大的固着器从沉积物中被拔出所造成的，这个解释与该标本具有扭曲的茎以及石板滩段周期性的风暴沉积环境相一致。因此，石板滩生物群的标本，支持恰尼虫营固着直立的方式生长，而非倒伏生长于海床上。
此外，研究还发现恰尼虫标本与后生动物遗迹化石可以保存在同一层面上（图2.3），说明恰尼虫能够生活于后生动物存在的环境中，这种共存的关系可对造迹生物与埃迪卡拉化石之间的生态相互作用提供了重要的启示意义。
此次石板滩生物群中恰尼虫的发现，不仅进一步丰富了该生物群的整体面貌，而且表明该生物群是世界范围内最年轻的恰尼虫化石产地之一。研究扩大了恰尼虫的古地理及古环境分布，表明恰尼虫是地层延限最大（距今5.74-5.39亿年间，跨越了约三千万年的地球历史）、地理分布最广（分布于各个不同古纬度的古板块上，图5）的埃迪卡拉生物之一，它几乎见证了整个埃迪卡拉生物群的兴衰历史。
本研究得到国家自然科学基金、中国科学院、科技部国家重点研发计划青年科学家项目、中科院青促会、现代古生物学和地层学国家重点实验室的联合资助。
论文相关信息： Wu, C., Pang, K.*, Chen, Z.*, Wang, X., Zhou, C., Wan, B., Yuan, X., Xiao, S. 2022. The rangeomorph fossil Charnia from the Ediacaran Shibantan biota in the Yangtze Gorges area, South China. Journal of Paleontology. https://doi.org/10.1017/jpa.2022.1097.
图1 石板滩生物群中的梅森恰尼虫Charnia masoni（1, 2）以及细长恰尼虫Charnia gracilis n. sp.（3–8）
图2 石板滩生物群中的细长恰尼虫Charnia gracilis n. sp.
图3 对石板滩生物群中的恰尼虫与世界范围内其他恰尼虫标本统计所得出的散点图（1-7），以及测量标准示意图（8、9）
图4 对来自石板滩生物群中保存有完整次级分枝数量的细长恰尼虫Charnia gracilis n. sp.进行统计得出的散点图
图5 恰尼虫的古地理分布图142022-12 -
2亿年前的交响乐：螽斯化石揭示中生代声学景观的演化研究结果揭示了中生代螽斯的声学行为的演化，为昆虫和早期哺乳动物的声学共演化假说提供了证据，也为动物的声学演化机制和中生代的声学景观提供了新信息。
声音交流是动物最重要的通讯方式之一，对动物的生存具有非常重要的意义。声音交流通常被用于求偶、交配、捕食和躲避天敌等行为中，这也构成了现代生态系统中纷繁复杂的声学景观的一部分。由于声学景观无法直接保存在化石记录中，我们对早期声学景观面貌以及动物声音交流行为的起源和演化了解非常有限。
直翅目昆虫是现今多样性最高的鸣声生物，包括我们常见的蟋蟀、螽斯、蝗虫等。其中螽斯（俗称蝈蝈、纺织娘）可以利用前翅间的相互摩擦发出声音，依靠前足的听器（鼓膜）接收声音信号。螽斯在中生代非常繁盛，因此是动物声学演化研究的一类理想类群。
近日，中国科学院南京地质古生物研究所的博士研究生许春鹏在王博研究员和张海春研究员的指导下，建立了首个化石直翅目形态特征数据库，以中生代的螽斯化石为研究对象，分析了该类群声音器官的形态特征，并重建了其鸣声频率的宏演化历史。研究结果揭示了中生代螽斯的声学行为的演化，为昆虫和早期哺乳动物的声学共演化假说提供了证据，也为动物的声学演化机制和中生代的声学景观提供了新信息。相关研究成果于2022年12月13日在线发表于《美国科学院院报》（PNAS）上。
研究取得的主要成果如下：
1 重建了中生代螽斯的鸣声频率。研究团队检视了各地馆藏的直翅目化石标本，建立了螽斯化石的关键形态特征数据库，并根据生物物理模型，对中生代螽斯的鸣声频率进行了系统重建。对南非和哈萨克斯坦标本研究发现，早在三叠纪中期螽斯就已经可以发出高频的鸣声（12-16 kHz）,这也是整个动物界最古老的高频声音记录。进一步的数据库分析表明，中生代螽斯已经演化出极高的声音频率多样性，并已经具有明显的声学生态位分区现象。声学生态位分区的出现，可以极大地降低声音交流时其他声学信号的干扰，提高声音交流的效率。高效的声音交流能力很可能是中生代早期螽斯辐射演化的驱动因素之一。
2 发现了最古老的昆虫听器和复杂声学行为。在侏罗纪鸣螽化石中发现了保存精美的听器。无论是在大小、位置还是在结构上，它们和一些现生螽斯（例如鸣螽、沙螽）的听器几乎一样。它们分别位于一对前足的内侧（后侧）和外侧（前侧），由内部椭圆形的硬质鼓膜板和包围在其外侧新月形的软质鼓膜组成。这种结构表明其可能以硬质的鼓膜板为支点，形成杠杆结构以大大地提高声波的传导效率。综合鸣器和听器的证据表明，早在侏罗纪雄性螽斯间的复杂声学行为（争斗和领地行为）已经出现。
3 中生代螽斯的类群转换和声学演化。在早-中侏罗世，螽斯类群发生了明显的类群转换现象：原本占据主导地位的哈格鸣螽科昆虫开始衰落，鸣螽科昆虫开始崛起。同时，中生代哈格鸣螽科和鸣螽科昆虫的鸣声频率虽然都主要分布在4-16 kHz之间，但却有极大的不同：哈格鸣螽科昆虫的鸣声频率在4-16 kHz近乎均匀分布，而鸣螽科昆虫的鸣声频率显示为双峰分布（主要位于4-8 kHz和12-16 kHz两个范围内）。高频鸣声有利于躲避捕食者的探查，但传播距离较近；低频鸣声则恰好相反，虽易被捕食者探查，却能够传播更远的距离。鸣螽科昆虫叫声频率的双峰分布表明，每个种类在“传播距离”和“躲避探查”之间根据自身需求和特点更好地权衡，避免了既容易被探查又传播不远的情况。此外，螽斯前翅声音辐射区域的变化（镜区面积占比提升）也说明了从中-晚三叠世到中侏罗世，其发声能力有了明显增强。
4 为螽斯和早期哺乳动物的声学共演化假说提供证据。与其他脊椎动物相比，现生哺乳动物具有更高频的听力范围和更灵敏的听觉能力。在爬行动物占据主体生态位的中生代，原始哺乳动物可能多为夜行的小型食虫类，很可能利用声音进行定位猎物和侦查捕食者。而善于鸣叫、体型硕大的螽斯可能为早期哺乳动物提供了理想的食物来源。
本研究发现中生代螽斯在早-中侏罗世发生一次明显的类群更替（从哈格鸣螽科主导转为鸣螽科主导），时间上恰好对应了早期哺乳动物的辐射事件，并伴随其听觉能力的提高。因此，早期哺乳动物很可能对螽斯的演化产生了定向选择作用，导致了哈格鸣螽科昆虫的衰落以及声学通迅能力和飞行能力更强的鸣螽科昆虫的崛起。反之，螽斯高频声音的出现可能也促进了早期哺乳动物听觉能力的提高。
5 为中生代的声学景观提供新认识。在现代陆地生态系统的声学景观中，热带地区由昆虫和青蛙的叫声占据主导，而在温带地区，鸟类的叫声更为丰富。本研究总结和梳理了动物重要声学演化事件。研究发现中生代声学景观与现代完全不同：在三叠纪由昆虫尤其是螽斯的鸣声占据主导；早侏罗世青蛙和晚侏罗世鸟类的出现带来了新的声音；直到白垩纪，森林中的声学景观才接近现代面貌。总之，随着各类鸣声动物类群的辐射演化，中生代陆地生态系统的声学景观面貌逐渐复杂化。
该研究由中国科学院南京地质古生物研究所、临沂大学、法国自然历史博物馆、德国黑森州立博物馆、俄罗斯科学院古生物研究所、英国自然历史博物馆和美国自然历史博物馆的研究团队共同完成。
此研究得到了中国科学院、科技部、国家自然科学基金委和DDE计划的资助。南京古生物所画师杨定华绘制了生态复原图。
相关论文：Xu Chunpeng, Wang Bo*, Wappler T., Chen Jun, Kopylov D., Fang Yan, Jarzembowski E.A., Zhang Haichun, Michael S.E. (2022) High acoustic diversity and behavioral complexity of katydids in the Mesozoic soundscape. PNAS, https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2210601119.
图1 三叠纪螽斯的音齿（上）和侏罗纪螽斯的听器（下）
图2 动物听力范围（上）、现生和中生代螽斯的鸣声频率分布（下）
图3 鸣螽总科声音辐射区域演化散点图（左）和箱型图（右）
图4 动物声学演化事件132022-12 -
FossilMorph：化石自动测量和定量分析的新工具
大数据与人工智能是驱动地球科学研究范式革新的重要手段。其在古生物学研究中也有着越来越多的应用，如利用卷积神经网络进行化石图像的智能识别分类、采用数字图像处理技术进行化石形态特征数据的自动获取和分析等。
随着古生物化石样品采集精度的提高和科研与生产实践中对样品分析更加高效的需求，科研人员通常需要在较短时间内处理大量化石图像。其中对其进行形态学特征的测量与分析是图像处理的主要工作之一。目前化石的形态学数据主要依赖于手动操作测量软件，如Image J等。这样不仅繁琐耗时，而且具有一定的主观性，容易产生人为误差。
近期，中国科学院南京地质古生物研究所早期生命研究团队的万斌副研究员指导硕士研究生郑文涛，与东南大学、上海交通大学、南京大学的研究人员合作，设计开发了一款化石图像测量分析的可视化操作界面—“FossilMorph”工具软件。该软件可用于进行化石图像形态特征的自动测量和定量分析。研究成果近期发表于地学期刊《远古世界》（Palaeoworld）。
该软件版本主要是基于OpenCV-Python快速图像处理的计算机视觉工具，使用了多种图像处理技术，包括灰度转换、图像滤波、图像二值化、连通域分析等，并采用了OCR字符识别技术对化石图像比例尺进行自动识别以及换算，实现了对椭球形、丝状体、部分破损等类型的有机壁微体化石形态特征进行自动化批量提取和定量分析。分析结果可以Excel数据（.xlsx格式）导出或以箱线图、散点图、直方图、聚类图等多种类型图件呈现。
该软件的应用可大幅节省科研人员的时间与精力，明显提升化石图像形态特征的数据化和准确率。目前批处理模式可在1分钟内完成2000个化石图像形态数据的采集和分析。该技术在一定程度上表明了数字图像处理技术在有机质壁微体化石研究中具有很大潜力。
目前，该软件版本对于个体保存、形态相对简单、且主体与背景对比强烈的化石图像（如光学显微镜下的孢粉和疑源类酸蚀处理的薄片照片）具有较好的处理效果。未来随着算法的创新，FossilMorph将不断优化，致力于处理形态更为复杂的化石类型和集群保存化石组合等，并与卷积神经网络应用相结合，依据化石定量化的形态和结构特征，进行化石图像的智能识别和定量分析，从而挖掘化石背后的更多真实有效数据信息，为揭示生命演化提供数据支撑。
相关软件已申请中国版权保护中心的计算机软件著作权。
该研究受到国家自然科学基金项目、中国科学院先导专项B类和前沿重点部署项目、现代古生物学与地层学国家重点实验室项目、香港特别行政区博士后奖学金联合资助。
论文相关信息：Zheng Wentao#, Lou Zhouwei#, Yu Yefeng, Tang Qing, Wang Xiaopeng, Zhao Xianye, Shi Hongyi, Wan Bin*. FossilMorph: A new tool for fossil automatic measurement and statistical analysis. Palaeoworld. 2022. https://doi.org/10.1016/j.palwor.2022.11.001.
图1 FossilMorph数字图像处理流程图
图2 丝状体类型的算法示意图
图3 FossilMorph单图处理模式（A）和批量处理模式（B）界面截图
图4 FossilMorph数据定量分析的图件展示092022-12