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本文最初发表于 The QQ分分彩 Conversation。 该出版

    日期:2018-09-18

像我们这样的古生物学家习惯于使用对许多习惯于生物的生物学家来说似乎很奇怪的化石。随着我们在地球历史上走得更远,化石开始变得更加怪异。他们缺乏尾巴,腿,骷髅,眼睛......任何有助于我们了解这些生物在生命之树中的位置的特征。在这种情况下,古生物学变得更加困难。

这个问题比Ediacaran时期更加明显,Ediacaran时期从6.35亿年前持续到5.41亿年前。这个时代的一种奇特且完全柔软的化石组合统称为Ediacara生物群。尽管经过近70年的仔细研究,古生物学家尚未确定其中的关键特征,这将使我们能够了解这些生物如何与现代动物相关。在大多数情况下,伊迪卡拉生物体中明显的形式是独一无二的 - 我们并不接近理解它们在进化史上的地位。

我们采取了不同的方法 ,而不是寻找能够让我们将这些生物中的一些生物变成已知动物群的特征。它依赖于一种称为计算流体动力学的技术,可以让我们对这些生物在海洋环境中的生存方式进行逆向工程。

神秘化石

埃迪卡拉时期是地球历史上的一个关键区间; 在它的开始是所谓的“ 雪球地球 ”事件的最后一次- 当我们的星球的整个QQ分分彩官网表面都被冰覆盖时,这些事件将持续数百万年。它进入了接下来的寒武纪地质时期,这是我们今天认识到的许多动物群体的第一次出现。这就是通常所说的寒武纪爆发。

当在埃迪卡拉发现大型复杂化石时,研究人员自然地预计,其中许多化石将代表寒武纪中已被认可的相同动物群的早期亲属。但这些Ediacarans似乎与现代动物完全不同。

例如,rangeomorphs是叶子和垫状生物的集合,具有独特的分形结构,由一系列分枝的“叶状”元素构成,每个元素长几厘米,每个元素本身由较小的,相同的叶子组成元素。

另一个 - Tribrachidium - 是一个小的半球形生物,有三个凸起的分支,在生物体的顶部相遇,并以逆时针方向向边缘弯曲。

那么像这样的古怪球如何适应之前发生的事情和后来发生的事情呢?我们只是无法将它们放在任何进化树上。

为了更好地了解这些生物,古生物学家被迫采用不同的方法。我们已经放弃了关于它们可能与之相关的所有假设,而是试图回答更基本的问题。例如,他们搬家了吗?他们是怎么喂的?他们是如何复制的?通过回答这些问题,我们可以开始了解它们的生物学和生态学,这反过来可以提供关于这些生物如何与其他多细胞生命形式相关的提示。这就是我们开始对Ediacara生物群进行逆向工程的方法。

模拟流体动力学以逆向工程化石

我们可以使用的最重要的技术之一是计算流体动力学(CFD),这是一种使用计算机虚拟模拟物体周围流体流动的方法。

使用这种方法的理由在于观察现代海洋中的生物。我们知道生活在浅海环境中的许多(如果不是全部)动物已经进化出适应性,允许它们与水流相互作用并操纵水流,以减少阻力并防止它们被扫除(想想帽贝和藤壶),或者帮助喂食(想想海百合,海葵和柳珊瑚)。因此,我们可以通过研究它在移动流体中的行为方式,了解有机体的生物学和生态学。

通过现代物种,研究人员可以研究活体动QQ分分彩网址物周围的流体流动 但对于已经灭绝超过5亿年的生物 - 例如Ediacara生物群 - 使用CFD的虚拟模拟是唯一的方法。

这是我们如何做到的。首先,我们获得化石的数字3-D模型并将其放置在虚拟水槽中。然后,我们模拟在数字化石上方和周围流动的水。可视化生物体周围的流动和再循环模式使我们能够检验有关生物体如何移动和喂食的假设。有了像Ediacara生物群一样神秘和模糊的东西,这些见解可能会让我们更接近理解它们是什么。

科学家曾经认为这种盾形生物 Parvancorina 固定在海底。 但是新的研究表明它更适合作为移动生物的生命。我们最近与神秘的Ediacaran化石Parvancorina的合作就是这种方法的一个例子。Parvancorina是一种外QQ分分彩观简单的盾形生物,长度通常为1-2厘米,顶部有一系列类似锚的脊。尽管它已经以各种方式进行了解释,但大多数科学家认为它固定在海底 - 我们称之为无柄。没有人看到任何用Parvancorina保存的肢体,它从未被发现与化石轨道或小径相关联。

我们决定通过构建两种已知的Parvancorina物种的三维模型来测试这个想法,然后使用CFD来了解它们独特的表面结构如何影响不同方向的流体流动模式。我们的研究结果表明,模型周围的水流模式根据其在当前的定向方式而有很大差异。

假设Parvancorina是一种悬浮喂食器,我们的研究结果表明,只有当它在一个特定的方向上取向时,它才能很好地捕获海水中的食物。如果你是一个无柄悬挂喂食器,就像Ediacara生物群的其他成员一样,这显然是个坏消息。如果您依靠电流将含有营养物质和食物颗粒的水带到您的嘴或喂食设备,您希望无论电流流向何种方式都会发生这种情况。如果你被困在一个地方并且当前的变化,如果你只能从一个方向来到你身边时收集食物就会遇到问题。任何其他合理的喂养方式 - 例如,清除 - 也意味着这些生物具有移动生活方式QQ分分彩官网。

我们还使用这些模拟来计算不同方向的阻力。虽然谈论Parvancorina的前端和后端有点问题(因为我们甚至无法判断它是否有类似头部和尾部的东西),我们通常会将盾牌末端视为前端。我们发现Parvancorina经历的阻力通常低于当前放置到电流时,与侧面放置时相比。如果你是一个无柄生物体,这也是一个坏消息,因为它让你在强大的水流中被沉积物撕裂。

来自这两个观察的结论是明确的:Parvancorina是更好地适应生活,作为一个移动,而不是一个无柄,有机体。

对Parvancorina生活方式的新认识

这个结论可能听起来像是地球生命故事的一个小脚注。但我们相信它对我们如何看待整个Ediacara生物群具有重要意义。

首先,目QQ分分彩网址前对Parvancorina知之甚少,任何其他信息都至关重要。它是移动的知识将帮助我们解决这个化石适合生命之树的地方。

其次,推断Parvancorina是移动的,但是没有留下它的运动痕迹,这很重要 - 这意味着我们假设的其他许多Ediacaran化石实际上也可能是移动的。这可能要求我们重新想象Ediacaran生态系统更具动态性,并且通过扩展,比我们之前想象的要复杂得多。

通过使用计算流体动力学等工具对Ediacara生物群进行逆向工程,我们越来越了解它们所代表的内容,以及它们在寒武纪爆发前1500万年的生活和运作方式。

西蒙Darroch,地球与环境科学,助理教授范德堡大学和伊姆兰·拉赫曼,初级研究员,牛津大学