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通過(guò)仿真研究 5 億年前的古生物
2016 年，一支由全球各地的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)跋山涉水來(lái)到位于非洲西南海岸的納米比亞進(jìn)行野外考察?？疾斓刂車且煌麩o(wú)際的沙漠和干燥的空氣。盡管這里棲居著斑馬、野馬、獵豹和獅子等各種野生動(dòng)物，但是研究人員此行的目的是尋找其他更古老的生命體：埃迪卡拉（Ediacaran）化石。
尋找埃迪卡拉生物群
來(lái)自埃迪卡拉紀(jì)（Ediacaran Period）的化石——“埃迪卡拉生物群”，是世界上已知最早的大型多細(xì)胞生命體。在埃迪卡拉紀(jì)（6.35 億到 5.41 億年前），也就是寒武紀(jì)大爆發(fā)之前，這些生物大多數(shù)固著在海底生活。埃迪卡拉生物群包括 Parvancorina、Charnia、Kimberella 和 Dickinsonia 等。
左圖：Parvancorina 化石。圖像通過(guò) Wikimedia Commons 共享，獲 CC0 1.0 授權(quán)。右圖：Dickinsonia 化石。圖片通過(guò) Wikimedia Commons 共享，獲 GNU Free Documentation License 許可發(fā)布。
通過(guò)研究這些古老生物的化石，并將它們與近代動(dòng)物化石進(jìn)行比較，古生物學(xué)家可以了解它們生前的行為、運(yùn)動(dòng)和進(jìn)食方式?；谶@些研究，古生物學(xué)家們可以確定這些生物在真核生物生命樹(shù)上所處的確切位置。
在納米比亞的實(shí)地考察
2016 年，在納米比亞南部，來(lái)自加拿大、納米比亞、美國(guó)和英國(guó)的一個(gè)跨國(guó)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了 Ernietta 種群——一種來(lái)自埃迪卡拉紀(jì)晚期、原地保存在海底化石上的神秘生物。2019 年他們?cè)凇禨cience Advances》上發(fā)表了一篇論文，分享了關(guān)于這些化石的研究。
在回顧這一發(fā)現(xiàn)時(shí)，該研究的主要作者 Brandt Gibson 說(shuō)：“在納米比亞，我們通常發(fā)現(xiàn)的化石都是被遷移過(guò)的，就是被洋流沖走并沉積在其他地方，因此我們無(wú)法了解它們?cè)镜纳顮顟B(tài)。但是，這次我們非常確信它們是被保存在原本生活的位置，而且我們發(fā)現(xiàn)的是一個(gè)原始的、未受干擾的種群。”
保存完好的 Ernietta 化石的圖像。圖片來(lái)源：Marc Laflamme，多倫多大學(xué)。
根據(jù)發(fā)現(xiàn)化石的位置，研究人員得出結(jié)論：這些固著生物生活在海底，身體有一半埋在沉積物中?！癊rnietta 身體柔軟，沒(méi)有真正堅(jiān)硬的部分。在它們生活的地方發(fā)現(xiàn)軟體化石，這種情況極為罕見(jiàn)。” Gibson 說(shuō)道。
此外，這些化石是成群被發(fā)現(xiàn)的，這表明它們可能過(guò)著一種有目的，有組織的群體生活。
Ernietta 種群的插圖。圖片由 Vanderbilt 大學(xué)提供。
在他們的研究中，該團(tuán)隊(duì)使用 COMSOL Multiphysics? 軟件的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）產(chǎn)品模擬分析了這些早期生命體的進(jìn)食行為。大多數(shù)生活在海洋中的現(xiàn)代動(dòng)物已經(jīng)進(jìn)化出了復(fù)雜的身體形態(tài)，這些形態(tài)能夠與流動(dòng)的流體相互作用，從而幫助它們進(jìn)食；CFD 仿真提供了一種研究和解釋在當(dāng)今幾乎沒(méi)有類似物的古代化石的方法。“仿真確實(shí)很有幫助，它使我們能夠進(jìn)行假設(shè)測(cè)試，以及觀察我們無(wú)法用其他方式研究的形態(tài)?！?Gibson 說(shuō)道。
濾食作用與仿真
研究表明，大部分 Ediacara 生物群不是通過(guò)滲透作用就是通過(guò)濾食作用來(lái)攝取營(yíng)養(yǎng)的。一些生物通過(guò)滲透壓被動(dòng)地消耗有機(jī)物質(zhì)，而濾食性動(dòng)物則是利用水流、它們的身體結(jié)構(gòu)和周圍的群落來(lái)獲取營(yíng)養(yǎng)的。（例如，貽貝、牡蠣和水母就是典型的濾食性動(dòng)物。）
根據(jù)對(duì) Ernietta 化石的研究，研究人員推測(cè)這些生物主要是通過(guò)濾食作用進(jìn)食的，因?yàn)闉V食性動(dòng)物通常生活在群落中。“在現(xiàn)代海洋中，濾食進(jìn)食是一種廣泛存在的、極其重要的動(dòng)物行為。如果我們能夠確定 Ernietta 是濾食性動(dòng)物，就更加有理由相信許多其他 Ediacara 生物群也能夠通過(guò)濾食作用進(jìn)食，并且這些生物的存在表明，這些復(fù)雜的捕食行為的進(jìn)化比我們想象的要早得多?！?Gibson 介紹說(shuō)。
首先，研究人員使用 CFD 仿真分析了一個(gè) Ernietta 生物體模型周圍的流體流動(dòng)。在這個(gè)過(guò)程中，他們觀察到 “無(wú)論埋藏深度、流速和相對(duì)于流動(dòng)的方向如何，生物體的中心腔內(nèi)都存在持續(xù)而強(qiáng)烈的再循環(huán)，如果 Ernietta 是一個(gè)濾食性動(dòng)物的話，這是預(yù)料之中的。” 基于這些結(jié)果，研究人員得出結(jié)論：Ernietta 是在其中心腔內(nèi)獲取大部分營(yíng)養(yǎng)的。
接下來(lái)，他們模擬了生活在上游和下游的 Ernietta 聚集群落和有一定間隔的群落，并研究了這些群落如何受到變化水流的影響。從模擬結(jié)果中，研究人員推斷，這些聚集群落通過(guò)協(xié)同工作操控水流，以確保群落中的所有生物都能獲得足夠的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并將廢棄物排出群體。Gibson 說(shuō)：“能夠?qū)嶋H重建這些生物體在 5.5 億年前是如何相互影響的，對(duì)我們來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)令人驚嘆的成就?！?/p>
CFD 仿真結(jié)果：?jiǎn)蝹€(gè) Ernietta 模型（頂部）、間隔良好的 Ernietta 群落模型（中）、聚集的 Ernietta 群落模型（底部）的水平（左）和垂直（右）橫截面。注意：所有模型都與水流平行，埋藏深度適中。此外，所有模擬的入口速度均設(shè)置為 0.2m/s。版權(quán)所有 ? BM Gibson 等，來(lái)自他們的論文 “Gregarious suspension feeding in a modular Ediacaran organism”。
總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究表明 Ernietta 是生活在緊密群體中的濾食性動(dòng)物。“我們對(duì)埃迪卡拉紀(jì)時(shí)期存活下來(lái)的各個(gè)生物群體掌握的信息越多，對(duì)整個(gè)埃迪卡拉生物群的了解就越深入?！?Gibson 說(shuō)道。
結(jié)束語(yǔ)
Gibson 指出，研究 Ernietta 等古代生物本質(zhì)上是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。因此，他認(rèn)為在分析此類生物時(shí)，必須與由不同專業(yè)領(lǐng)域的專家組成的研究團(tuán)隊(duì)合作。“在這項(xiàng)研究中，我與工程師、理論流體力學(xué)專家，以及擁有多年仿真經(jīng)驗(yàn)和湍流模型設(shè)計(jì)能力的專家緊密合作，這使我們的研究團(tuán)隊(duì)更具優(yōu)勢(shì)。” 他說(shuō)道。
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