从一块骨头见证2亿年物种进化史：圣大古生物学家谈鳄鱼进化研究

您的学术团队已经成为鳄鱼脑盒研究的开拓者。为什么这些现代生物至今仍未被研究透？

这是个很好的问题，因为我学位论文的主要基础是2021年的研究，它主要涉及的是现代动物——鳄鱼。现今地球上存在25到29种鳄鱼。存在差异是因为一些研究人员通过骨骼结构来定义物种，另一些则通过软组织和遗传数据来定义物种，而依照后者最多可以区分29个物种。尽管鳄鱼与我们共同栖息，在世界上任何一个动物博物馆都有展示，但对它们头骨各部分的研究程度并不相同。研究面部骨骼或头盖骨要容易得多，因为它们位于外部，但内部的各部分和结构却很难触及。以前在类似的内部研究过程中，头骨必须被摧毁：用圆锯将它们切成两半或若干个切片。当然，使用这种方法研究的精度不高，因为三维结构变成了一组二维结构。现代方法即计算机断层扫描与3D建模的出现，使动物学家和古生物学家们可以在不破坏结构的情况下对其进行研究。与此同时原理却是相同的：断层扫描将其虚拟切分为大量切片（对收集样品无害）。之后，我们使用特殊程序开始寻找各骨骼的边界，并勾勒出感兴趣的结构，就像儿童图画书里一样，计算机则从中收集三维客体。您可以从头骨中虚拟地“取出”正确的骨骼，即使它是世界上独一无二的化石标本。

在论文撰写期间，我总共研究了大约75个现代鳄鱼个体和72个灭绝的种类。在俄罗斯可供研究的头骨并不多，尽管各大博物馆的都有藏品，但我不得不使用外国存储库和其他资源的开放数据，以将它们与已有材料进行对比。就这样研究了大约19个现代物种，其中一些有10-20个样本。从学术著述中研究了一些东西，为此需要翻阅十九世纪以来的文献。积累的数据确实很多，但它们都是零星分散的：一个案例出现在1850年的文章中，另一个则在1920年。结果当我把所有东西汇集起来时，便能够学到很多关于鳄鱼脑盒的结构问题，并更清晰地从已有成果中呈现数据。由此，尽管头骨的这一部分已经研究了近两个半世纪，但仍然存在许多问题，因为使用早前的方法很触及内部结构。我想，也许我比其他人更需要它：我从2014年以来一直对该主题感兴趣，并为此投入了九年时间。

是什么吸引您研究鳄鱼？

这是段相当有趣的故事。我从小就喜欢恐龙，但到圣大学习的第三年我才回想起来，当时我必须选择专业方向。于是我来到我未来的导师帕维尔·斯库查斯（Павел Скучас）面前，问他脊椎动物学教研室有谁研究这个问题——我当时甚至不知道他是古生物学家。我本想研究奔龙。如果你记得电影《侏罗纪公园》，那里面有成群用后腿奔跑的，会相互交流的迅猛龙，奔龙与它们属于同一科。但帕维尔·彼得罗维奇·帕维尔·斯库查斯说，在古生物学中，事情没有那么简单。研究恐龙需要有骨头，而俄罗斯所有的奔龙标本都已经被其他研究者研究过了。可选项里还剩下犀牛化石和鳄鱼化石。自然，我选择了鳄鱼，因为它们实际上是恐龙的近亲，二者同属初龙类。这是我从本科开始就一直在研究的课题，值得一提的是，我还是成功回到了恐龙身上。当我年龄增长，掌握了一些科学方法后，我和同事在2020年发表了一篇关于恐龙大脑的论文，至今我们仍在研究这个课题。

为什么是脑盒？我在撰写本科毕业论文中接触的材料是一大堆单独的骨头，很难进行研究。想象一下，就像四个物种的100个单独个体被拆散，混在一起摆在你面前。就是纯粹的拼图。为了对这些骨头进行分类，必须对不同群体的解剖学特征有详细的了解。我开始研究现代鳄鱼，以了解每块骨头如何排列，它有什么特征，以及它们在不同的鳄鱼群体之间有什么不同。

然后我开始关注脑盒的结构。现代短吻鳄的神经颅与各类鳄鱼的神经颅都不同，但与9000万年前的骨骼相似。当我开始做文献搜索以确认我的观察结果时，我意识到以前的研究者并没有注意到这一点。于是我明白自己发现了一个学术问题，我将在这个方向开展研究。在论文中，我将自己对鳄鱼和鳄形超目的头骨结构差异的所有观察汇编为统一的分析。我对所有的特征进行了编码，进行系谱树分析，并获取了十分详细的鳄鱼亲缘关系树。必须说，它是有代表性的，但有些片段与文献公认的有所不同。这表明我们仍然没有完全理解演化体系中的一些东西。

如果头骨的一个片段可以用来构建2亿多年的整个谱系，这意味着它是重要元素，承载着系统性的重要特征。通过对它进一步开展研究，可以更好地了解亲缘关系，并将新的特征引入类群分析中。

自2014年我本科毕业论文答辩之后，我在研究化石材料的同时还研究现代鳄鱼，了解它们的结构，并将这些知识转移到其祖先身上。通过相互比较，我发现了许多以前研究人员没有注意到的新特征。为了研究化石标本，我不得不查阅许多著述，从视觉上找到那些在文章正文中没有标注的特征。而我也的确成功发现了许多未知的东西。一篇关于现代鳄鱼解剖学的文章总结了我七年来的所有研究经验，发表在《Journal of Anatomy》杂志上，并成为封面文章。它是我鳄鱼化石研究工作的基础。

您和同事在2021年描述了鳄鱼脑盒中的全部结构，并给每个部分起了单一名称。在过去的一年里，您的研究取得了多大进展？

其实这项工作已经完成。我们现在正致力于研究初龙的大脑演化。脑盒的内表面在一定程度上反映了软组织的结构，所以在重建脑盒时可以获得大脑的模制件，即颅内模。在过去，这涉及到锯开头骨，清理空腔，用乳胶填充，但现在可以通过CT扫描和3D建模来虚拟进行。尽管如此，这项工作还得由人工完成，创建一个大脑模型大约需要一星期。我们计划创建一套超过100个3D模型的大样本，以观察现代鳄鱼的大脑在发育过程中的变化，从胚胎状态直到成年。我们还想确定主要现代类群及短吻鳄、大鳄鱼、鳄鱼和食鱼鳄之间的差异。在这项工作中，我们不仅计划对鳄鱼化石和现代鳄鱼的颅内模进行视觉评估，还会运用统计学方法，包括几何形态测量学。通过标记模制件上的关键位置，我们将获得可以使用软件进行比较的点云。也许还会运用人工智能来分析样本。

大鳄鱼、短吻鳄、鳄鱼和食鱼鳄，以及它们生活在约1亿年前白垩纪时期的共同祖先，都属于一冠类，是由一个共同祖先及其所有现代后裔组成的单系群。它们都被称为鳄目（Crocodylia）。生活在鳄目之前的，与鳄目相似动物通常被称为古代化石鳄鱼，但它们与其他已灭绝的古代类群关系更密切。该类群被称为鳄形超目（Crocodylomorpha）——它们类似于鳄鱼，出现在2.3亿年前的三叠纪时期。因此，当我们谈论鳄形超目时，我们指的是一个大群体，包括现代鳄鱼和它们的“曾祖”。

此外，我和我的学生已经把之前用X射线断层摄像机扫描的化石鳄鱼和鳄形超目的头骨制成了三维模型。我们还在收集整理材料，希望明年能得到拨款，将这项工作完成。在未发表的材料中，有一个大约9000万年前生活在当今乌兹别克斯坦的鳄鱼脑盒模型，它是世界上最古老的鳄鱼之一。我还与葡萄牙、西班牙的同事们共同发表了一篇关于Portugalosuchus鳄颅骨的论文，我是共同作者之一。由于我在CT扫描方面有丰富经验，我可以在鳄鱼脑盒中发现别人难以察觉的东西，所以能够协助进行三维重建和神经颅骨的比较。顺便说一下，Portugalosuchus鳄还最古老的鳄鱼之一。

样品扫描和随后的建模工作是如何进行的？在这个过程中，您遇到了什么挑战？

如果我们感兴趣的样本较小，适合做微型断层扫描，我们就把它带到放射学方法研究中心，由专家进行必要的工作。大型样本我们会交给医学专家，他们用人体断层扫描设备进行扫描。古生物学家并不直接参与切片采集过程，但他们可以将自身意愿传递给操作人员，让他们了解程序进行的顺序。微型CT扫描仪具有非常高的分辨率，可以产生多达4000张的海量切片，间隔只有数微米。当然，我们在工作中不会用到这么大的图像集。我曾经处理过的最大的脑盒断层成像是来自乌兹别克斯坦的一条鳄鱼，由大约2000个切片组成。我花了三个月的时间来处理它。平均而言，处理一组断层图像大约需要一到两个星期。

研究人员工作的很大一部分是分割，即析出样本中的构成部分：独立的骨骼、大脑所处的空腔、血管和神经通路。分割工作在Amira/Avizo软件中进行，向其中加载100至2000张黑白断层图。白色区域代表密度最高的区域，而黑色区域代表空气。在这两者之间存在着大量深浅不一的灰色，必须学会加以区分。在现代鳄鱼的头骨中，脑腔是干净的，所有的细节都很容易辨认，而在化石标本中，脑腔可能充满了岩石，其密度与骨骼几乎相同。找到骨头之间的界限也并非易事：在现代生物体中，骨头之间有清晰可辨的黑色边界，即充满空气的骨缝，而在古代标本中，这些边界通常很难看到。在地下躺了几百万年的头骨可能会被压缩，在这种情况下，有必要了解某块骨头向哪边移位了，以及为什么它位于一个不同的投影中。这时，现代动物的研究经验就有很大助力，所以我建议刚入门的古生物学家首先研究现代动物。

事实证明，每条现代鳄鱼在在卵中短短几天的发育过程，在某种程度上都经历了2亿年的演化。

X射线断层摄像的研究工作十分单调，但很有趣：往往在一天结束时会突然注意到发现了一个新结构，产生了一系列相关问题。我们经常被问到，为什么不把人工智能用于这项工作。在我看来，研究现代头骨的工作很容易实现自动化，因为骨头和空腔的颜色对比相当明显。不久前，神经网络被用来研究蜜蜂的大脑，而中国古生物学家在2022年试图用这种技术来识别化石标本中的骨骼，但到目前为止，在准确性方面还是人类胜出。

您在研究过程中是否发现了一些新东西或得出了某些意想不到的结论？

是的，当然有。我惊讶地发现在现代鳄鱼的胚胎发育过程中，其头骨的变化与鳄形超目在演化进程中头骨的变化相似。早在19世纪就有出版物指出，在其他骨头上发生了类似情况，如腭骨，看到这也适用于神经颅让我兴致盎然。当前我和学生正计划绘制鳄鱼头骨在胚胎发育过程中的变化过程，以及鳄形超目在演化进程中的变化过程，并将二者进行比较。当下，我感觉不同部分应该是不同步发育的，但某些阶段会类似于遥远祖先身上发生的演化。

请讲一讲您答辩的过程。根据圣大自定规则进行答辩是否很难？

事实上我非常喜欢，因为这些规则使生活变得更容易。对我来说，唯一的困难是双语系统：我的论文是用英语撰写的，就像我其他研究论文一样，所以必须把它翻译成俄语。通常情况下可能是由俄语翻译至英语。提交文件与过程本身则相当简单。这是我第一次经历，从早先参加过答辩的同学那里得知了细节。毕业论文科迅速且详细地答复了我的问题，所以没有任何环节性问题。一切都进行得相当顺利，我的体验是正面的。

您的研究成果被用于创建授课古生物学在线公开课程，此外去年您还入围了“忠于科学” 竞赛的决赛。您是否打算继续教育活动？

当然，因为能用简单明了的语言谈论自身研究对于任何科学家都很重要。如果你不能解释自己所从事的工作，那就意味着你没有很好地理解自己的研究客体。向广大群众普及古生物学和动物学知识是非常有趣和重要的。例如，当孩子们了解到我们周围司空见惯的动物经历了几百万年的演化，他们就会明白，人类造成的全球性灭绝可能会成为巨大的悲剧。所有这些都培养了他们对科学的兴趣和对大自然的热爱。

但是古生物学的学生数量逐年递增，所以我逐渐转向不同的工作形式，这涉及到培育年轻人才，他们将进一步推动俄罗斯古生物学发展。目前我们吸收年轻人参与科学活动：例如2020年发表的一篇关于甲龙大脑的论文，其共同作者之一是一位十年级的学生。早在中学八年级时他就开始和我一起工作，两年内就全面参与研究工作。他现在是圣彼得堡国立大学的二年级学生，继续研究这个课题。

在流行文化中，大家对恐龙很感兴趣，但这些爱好者中会有很多人在随后迈入真正的科学领域吗？当下对古生物学家的需求有多大？

确实，一部分观众会半途而废，因为比起单单了解在新的一年里发现了多少种恐龙以及它们如何命名，科学更为复杂。尽管如此，希望学习古生物学的学生数量正在逐渐增加，这可能与帕维尔·斯库查斯以及我们团队其他成员积极开展的科普活动不无关系。孩子们了解古生物学家的工作不仅仅是通过放大镜观察满是灰尘的骨头。例如，我鼓励学生学习3D建模。这些技能不仅对科学工作有用，如果他们愿意，还可以用来转而用于游戏设计和模型定制。我们的团队正在考虑创建新的古生物学在线课程，在该领域建模是必不可少的，可以为学生创造一个直观图景。

事实上，古生物学仍旧是个相当细分的领域。我基本认识所有在俄工作的脊椎动物古生物学家。我认为，更激烈的竞争会更大程度上刺激科学的发展。此外，圣大今年减少了生物学方向的博士研究生名额，所以今年完成学业的硕士生将不得不寻求其他机会，以在本领域进一步发展。我希望大学能对这个问题给予关注。但总的来说，广大群众对科普内容的需求越来越大，俄罗斯国内的古生物学者也越来越多。所以我可以说，至少我们这个集体近年来有明显的进步，这令人欣慰。