乐竞体育电竞（中国）股份有限公司官网科研团队揭秘5亿年前动物骨骼起源

华商报大风新闻记者专访古生物学与地层学博士胡亚洲

从蜗牛的壳、螃蟹的甲，到人类的骨头——动物的“硬骨架”是怎么来的？地球上的动物骨骼是如何长出来的？近日，乐竞体育电竞（中国）股份有限公司官网张志飞教授指导博士研究生胡亚洲及团队成员，联合课题组外专TimothyTopper和Luke Strotz教授及中科院南古所李国祥研究员与潘兵博士，对产自我国华北板块寒武纪早期猴家山组的开腔骨骨片开展了系统研究，成果发表在美国地质学会著名期刊——GEOLOGY。团队发现，5亿年前的化石里藏着动物最早由上皮组织控制骨骼生长的证据，刷新了人类对早期动物的认知。

>>专家简介

胡亚洲，乐竞体育电竞（中国）股份有限公司官网地质学系博士后，古生物学与地层学博士，瑞典自然历史博物馆访问学者。近年来，围绕寒武纪生命大爆发时期生态系统重建及多门类生物矿化开展相关研究工作。主持国家自然科学基金青年基金，国家重点研发计划专题，陕西省博士后项目等，并作为骨干成员参加国家自然科学基金国际合作创新团队项目。发表学术论文多篇，其中包括SCI论文17篇。

>>最新成果

“开腔骨骨片”揭秘科学难题

目前，已知最早的动物矿化骨骼记录来源于约5.6亿-5.2亿年前的寒武纪大爆发时期，地球动物很可能在此时获得了各种矿化能力。传统观点认为动物骨骼的出现很可能与捕食者与被捕食者之间的“军备竞赛”有关，也就是人们常说的“防御天敌”，即在攻防之间演化出了攻击用的利爪与牙齿，也形成了防御用的厚重壳体，但具体机制还不清晰。

不仅最早矿化骨骼为什么出现这一重大科学问题没有解决，该时期动物如何控制骨骼形成也一直是古生物界的难题。而乐竞体育电竞（中国）股份有限公司官网研究团队发现的、来自我国华北板块寒武纪早期猴家山组的开腔骨骨片，为我们揭秘了这一科学难题。

团队对这些极其微小的开腔骨骨片开展了系统研究。通过对大量大小仅为300微米化石骨片的分析，发现了这些骨片上存在大量以黏土矿物保存的多边形结构，如同“蜂巢”一般包覆整个骨片。

团队通过和现生贝壳对比，发现这些多边形的网状结构与软体动物珠母贝棱柱层间的有机质框架，在大小、形态和显微结构上存在着极大的相似性，因此认为开腔骨化石骨片上的多边形结构与软体动物的有机质框架结构在起源、分泌方式上类似，两者的形成受控于表皮细胞，都发育有细胞间的棱和柱状结构。其矿化骨骼与现代软体动物一样也形成于这些多边形有机框架中。

结合软体动物有机质框架的形成过程及形成机制，研究认为，疑难动物化石开腔骨类内部的空腔是属于表皮细胞包围形成的真体腔，这就意味着，5亿年前的开腔骨化石具有现代真后生动物以表皮细胞形成上皮组织，进而控制外部骨骼矿化的能力。

评审专家认为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，表明在寒武纪大爆发的早期，即使是一些比较低等的疑难动物，已经具有形成类似于现代高等动物复杂矿化骨骼的能力。

该研究受国家重点研发计划、国家自然科学基金合作创新研究团队项目等资助，成果以封面亮点论文形式发表于2025年第10期的美国地质学会著名期刊GEOLOGY。

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破解5亿年前的“骨头密码”

可复制出具有类似优异性能的材料

为了更详细了解动物骨骼的奥秘，华商报大风新闻记者专访了乐竞体育电竞（中国）股份有限公司官网张志飞教授团队成员，乐竞体育电竞（中国）股份有限公司官网地质学系博士后、古生物学与地层学博士胡亚洲。

5亿年前的动物怎么长骨头？

华商报：人类有骨头，蜗牛有壳，这些“硬骨头”到底是怎么长出来的？您能用人体的生长打个比方，解释一下5亿年前的动物是怎么做到这一点的吗？

胡亚洲：人类靠骨头支撑，蜗牛用壳保护自己。这些“硬骨头”的出现，看似简单，但其实是生命演化史上的一场革命。可以用一个我们每天都会用到的骨骼来打个比方——我们的牙齿是怎么长出来的？从这个我们每天都能、而且必须用到的“硬骨头”来理解5亿年前的动物是怎么做到这一点的。

牙齿很坚硬，但在牙齿形成的最开始，并没有立刻出现坚硬的牙釉质，而是先有一群细胞聚集在一起，它们会分泌由蛋白质和糖类组成的有机基质。就像建造摩天大厦前，要先画出建筑蓝图，牙齿的形成也需要精确的蓝图。接下来，神奇的事情发生了。你身体里的成釉细胞会从血液和体液中汲取钙、磷等矿物质离子，然后将它们精确地、一层一层地“浇筑”到之前搭建好的那个柔软“建筑框架”上。这些矿物质离子（主要是碳酸钙或磷酸钙）会以晶体的形式沉积在有机基质上，就像无数微小的砖块，严格按照设计图砌墙。最终，柔软的模型变成了坚硬的牙齿。

5亿年前的动物也是这样，在寒武纪的海洋里，一些动物的表皮细胞学会了分泌这种有机基质，形成了“模具”。这是最关键的第一步，没有这个“设计图”，后续的矿化就无从谈起。那些早期动物的表皮细胞，也开始从海水（海水本身就富含钙离子）中吸收矿物质，并将其沉淀在它们分泌的“有机质模具”中。最开始可能只是些小小的、薄薄的贝壳，随着演化与逐渐生长，这些硬质结构变得越来越大，也越来越复杂，最终形成了我们看到的贝壳、外骨骼和骨头。

动物利用表皮细胞“控制”骨骼生长

华商报：研究提到，在5亿年前的化石里找到了一种像“蜂巢”一样的网状结构。这个“蜂巢”是什么？它为什么能证明动物那时就已经会“控制”骨骼生长了？

胡亚洲：我们在上文多次提到了“有机质框架”“模具”“建筑框架”等名词。“蜂巢”其实是一种“有机质框架”，因为从形态上和“蜂巢”类似，所以在描述的时候将它称为“蜂巢”状的网格结构。实际上，这个蜂巢状的结构就是我们所说的控制生物矿化的有机质框架。

我们这次发现的“蜂巢”状网状结构，能和现生的一种名叫珠母贝的软体动物的有机质框架完全对应，不仅在形态上、大小上一致，甚至是一些微观结构上也是非常相似的。现代软体动物这种棱柱层中的有机质框架结构就是由表皮细胞控制形成的，同时也是由表皮细胞控制碳酸钙在有机质框架中沉淀。基于这种相似性，我们认为证明动物五亿年前就已经会利用表皮细胞“控制”骨骼生长，形成上皮组织了。

这次发现填补了一个关键空白

华商报：这项发现把动物“由组织控制长骨头”的能力提前到了5亿年前。这在古生物学领域意味着什么？是颠覆了以前的认知，还是填补了一个关键的空白？

胡亚洲：“由组织控制长骨头”的能力在现代生物骨骼矿化研究的过程中会经常得到关注，因为现代的生物不仅具有骨骼，也同时能够观察到没有矿化的有机质框架结构，甚至能够从更为精细的角度探索细胞究竟是如何控制骨骼形成的。但是有机质一般降解非常迅速，在5亿年前想找到有机质结构的残留可以说是非常困难的，在此之前虽然在寒武纪大爆发的初期就发现了大量的具有骨骼的化石，但它们往往仅具有比较完好的外部形态，让研究人员能够区分出生物的类型，但是对于更为精细特征的保存往往很有限。我们这次的发现，填补了一个关键的空白，从五亿年前的骨骼化石上发现了有机质框架结构，发现了这个时期的生物已经形成了和现代生物类似的生物骨骼矿化方式，即通过表皮细胞控制骨骼的形成。

华商报：这次研究的主角“开腔骨”是一种什么样的动物？它长得像我们现在能看到的哪种生物？

胡亚洲：“开腔骨”是一种长相非常奇特的生物。除了整体形态类似我们常见的一些细长的仙人球，还有仙人球一样具有非常明显、类似尖刺的结构，有人也把这种刺状的结构和现代的一些海绵动物进行对比，认为两者非常相似。但根据我们的研究，开腔骨与海绵动物没有亲缘关系，其在寒武纪末期就绝灭消失了，并没有延续至今。

对三万五千多枚化石开展详细分析

华商报：团队为这项研究付出了7年的努力。过程中遇到的最大困难是什么？是寻找化石，还是解读化石里的信息？

胡亚洲：这项工作的困难来自两方面，第一方面是寻找化石，就像我们前面说起，寒武纪大爆发时期出现了很多具有骨骼生物，他们往往能保存很好的形态特征，但是微观细节往往难以保存。其实我们团队开展小壳化石研究远不止7年时间，就是因为发现了寒武纪早期小壳化石的保存特征往往只有比较好的外部形态。基于以上原因，我们在长时间内，对不同环境、不同类型、不同时代的三万五千多枚化石开展了详细分析，最终才找到了这种保存有机质框架的化石。另一方面更重要的是能准确识别化石的特征，这就要求在理论上有创新、有突破，才能够认识到别人认识不到的关键信息，正确解读化石中所蕴含的生物矿化骨骼形成的信息。

使用高分辨率显微镜才能看清微小化石

华商报：为了看清这些只有300微米（约等于一根头发丝的直径）的微小化石，团队用到了哪些“黑科技”？

胡亚洲：这就要从获取化石的方式说起。一般我们认识中的古生物化石往往是比较大型的生物，比如：恐龙、三叶虫等这些明星化石都比较大。但是也有很多生物非常微小，对于这种类型的微体化石，最困难的可能不仅是观察这些微小的化石，而是从岩石中分离出这些微体化石，并将它们挑选出来。对这么小化石的观察，除了我们所说的分选，还要有熟练、稳定的双手，让化石能按我们要求的角度固定到样品钉上，方便我们使用扫描电子显微镜进行观察整体形貌。尽管能在一定的景深上进行观察，扫描电子显微镜呈现出的信息仍是局部信息，难以得知有机质框架结构的分布特征。我们使用了高分辨率显微X射线显微镜，获得了300微米化石表面高度5-10微米，宽度仅为0.5微米有机质框架结构的分布特征。而为了避免高差影响到能谱信号，我们使用聚焦离子束给开腔骨骨片化石做了“精确外科手术”，从上面取下了长8微米、宽6微米、厚度不足0.1微米的矩形“薄片”，利用透射电子显微镜的高分辨率能谱揭示了这些有机质框架结构是以粘土矿物保存下来的。

人类骨骼不是完美“成品”

而是一个演化了数亿年的动态系统

华商报：这项研究告诉我们5亿年前的动物怎么长骨头，这对我们理解人类自己的骨骼有什么启发吗？

胡亚洲：这项发现告诉我们，控制骨骼生长（尤其是长骨）的核心在5亿年前就已经基本成型了。人类用来建造不同类型骨骼的遗传指令，其源头可以追溯到遥远的寒武纪。这并非说我们和寒武纪的某种小虫子有相同的骨头，而是说我们共享一套基础的、控制“硬组织在内部生长与塑形”的发育程序。这就像现代摩天大楼（人类骨骼）和古代石桥（寒武纪动物的原始内骨骼）都使用了相同的“拱形结构原理”和“承重设计理念”，尽管材料和复杂度天差地别，但我们继承的是那个至关重要的“设计蓝图”。

对人类而言，最大的启发在于，让我们意识到，人类的骨骼不是一个孤立、完美的“成品”，而是一个演化了数亿年的、充满智慧的动态系统。我们继承的不仅是一副骨架，更是一套深植于我们DNA中的、古老的生存与适应策略。理解它的起源，就是理解我们身体为何以如今这种方式工作，也为我们未来修复它、增强它，提供了来自生命源头的智慧。

可应用于材料科学及仿生学领域

华商报：破解了5亿年前的“骨头密码”，除了满足人类的好奇心，这项研究对未来，如材料科学、仿生学等领域会带来什么意想不到的应用吗？

胡亚洲：我们一直期待着能够将远古生物建造壳体的智慧应用于材料科学及仿生学的领域。这次对5亿年前“骨头密码”的破解，意味着我们可以利用蛋白质模板或有机分子模板，在温和的条件下引导无机矿物结晶，复制出具有类似优异性能的材料。后续的某些高性能材料，很可能就源于我们今天从这些古老化石中获得的，一个关于结构，关于过程，关于如何将软与硬、有机与无机完美结合的“灵感火花”。 华商报大风新闻记者 任婷 王昊

原文链接：

https://news.hsw.cn/system/2025/1015/1879386.shtml