3.1亿年前的脑
早在19世纪中叶，著名生物学家达尔文已经敏锐地意识到了地球上地质记录的“缺陷”。他在《物种起源》中准确地指出，除非条件恰到好处，否则生物其实很难作为化石被保存下来，即使是那些存在骨骼和贝壳的生物也是如此。
他还认为，“没有一种完全柔软的生物能被保存下来”。
然而关于后者，他的话“说早了”。在《物种起源》出版后的一个多世纪，人们更努力地搜寻着化石。我们现在已经知道，保存软体生物是可能的，甚至一些看似最脆弱的生物也出现在了化石记录中，比如水母。
但是，动物身体精细的解剖结构呢？比如它们的脑、内脏或者其他器官，这些也能变成化石被保留下来吗？
这些化石记录其实非常罕见。但近日发表在《地质学》期刊上的研究展示了一只古代水生节肢动物，也就是一种肢体分节的无脊椎动物，它精巧的脑部是如何被保存下来的。
(A) 美国伊利诺伊州马宗克里克发现的鲎化石标本，它拥有保存完好的脑。(B) 化石脑特写，即图(A)中方框位置。(C) 鲎的重建，包括脑的位置和解剖学细节。图片来源：Bicknell, R. via UNE
研究人员在美国发现了一只3.1亿年前的鲎（Euproops danae），其脑部几乎完好无损，它也是目前发现的最古老的中枢神经系统保存完好的节肢动物化石之一。
有关史前动物的软组织的化石记录其实非常有限，尤其是像脑部这样精巧的器官。目前，我们对史前节肢动物脑的大部分了解主要来自两种关键类型的化石沉积，分别是琥珀和伯吉斯页岩这类岩石。
琥珀是一种树皮渗出的树脂化石，它能捕获很多种生物。被困在其中的个体通常以节肢动物为代表，比如各种昆虫。在著名电影《侏罗纪公园》中，琥珀就是一种非常关键的化石。
《侏罗纪公园》剧照。｜图片来源：电影《侏罗纪公园》
这些化石保存了大量令人难以置信的解剖细节，甚至能够包含一些动物行为的细节，这主要是因为生物往往在一瞬间被困在树脂中，之后就几乎不会腐烂。
通过复杂的成像技术对琥珀化石进行研究，古生物学家可以在极小的尺度上了解微小的节肢动物脑部的三维特征。然而，目前琥珀中发现的最古老的节肢动物只能追溯到三叠纪，也就是约2.3亿年前。
一块约有2300万年历史的墨西哥琥珀，里面有一只蜈蚣和一只蚂蚁。｜图片来源：Greg Edgecombe via UNE
伯吉斯页岩这种类型的沉积则更古老，时间上来说大约在寒武纪，通常在5亿至5.2亿年前。它们中包含着大量保存完好的海洋节肢动物。
这些化石非常重要，因为它们代表了一些最古老的动物，可以告诉我们有关它们的起源以及最早的进化历史的故事。这些动物的残骸主要以碳膜的形式保存在泥岩中。
来自中国云南的寒武纪节肢动物昆明澄江虾（Chengjiangocaris kunmingensis）化石及重建。在化石中保存有珠状的腹神经索。｜图片来源：Javier Ortega-Hernández via UNE
这类化石形成的过程实际上始于风暴引发的泥流，这些泥流突然席卷而来，毫无招架之力的动物很快被埋在了低氧环境的海底。随着时间的推移，泥变成岩石并受到挤压，动物则被深深地烙在了岩石里。
许多伯吉斯页岩类型的节肢动物标本很好地保存下了动物内脏，尤其是肠道。但还是很少能看到中枢神经系统的某些部分，比如视神经、腹神经链或者脑。
而这项新研究中的化石则表明，节肢动物的脑能够以完全不同的方式保存。
这个鲎的标本来自美国伊利诺伊州举世闻名的马宗克里克沉积。这里的化石被保存在一种被称为菱铁矿的碳酸铁矿物的结核中。
一些来自马宗克里克的动物，比如诡异的“塔利怪物”（详见《神秘的塔利怪物变得更加神秘》），它们的身体完全是柔软的。也就是说，这里一定具备某些特殊的条件来保存它们。
塔利怪物。｜图片来源：PaleoEquii via Wikimedia Commons under CC BY-SA
研究首次发现了马宗克里克的动物是如何被保存下来的。首先这离不开菱铁矿的快速形成，这些菱铁矿在很短时间内将动物的全身完全埋葬。除此之外，菱铁矿在动物内部的软组织分解之前，就迅速包裹住了它们。
值得注意的是，在这一标本中，鲎的脑部被一种叫作高岭石的白色黏土矿物复制了下来。这种矿物质铸型可能是后来在脑腐烂很久之后，在它留下的空隙中形成的。研究人员表示，如果没有这种引人注目的白色矿物，他们可能永远不会发现这个部位。
化石照片(G)及铁、铝、硅、氧、硫、钾和镁的元素图谱(H-N)。｜图片来源：Bicknell, R. et al. / Geology (2021)
事实上，解释古代节肢动物解剖结构的最大挑战之一是，许多动物缺乏可供比较研究的现代近亲。但幸运的是，鲎可以与4种现存的鲎进行比较。
如果将这一化石的神经系统与现代的一种鲎（Limulus polyphemus）的神经系统进行比较，不难发现，尽管它们生活的年代相隔3.1亿年，但在这两个物种中都出现了相同的结构。
化石照片(A)及脑部手绘示意图(B&C)。和现代鲎（Limulus polyphemus）物种的脑(D)相比，可以发现很多相似之处。｜图片来源：(A-C) Russell Bicknell; (D) Steffen Harzsch via UNE
在两者的神经系统中，眼睛与附肢的神经排列可以“对得上号”，其中央都有相似的空腔，让食道穿过。
揭开这些特殊标本的细节，让古生物学家难得有机会真正一瞥远古的历史。它同样增进了我们对早已灭绝的动物的生物学和进化的理解。
看来，达尔文也不必对化石记录那么悲观。
文末福利
#创作团队：
原文作者：
John Paterson（新英格兰大学地球科学教授）
Greg Edgecombe（自然历史博物馆研究员）
Javier Ortega-Hernández（哈佛肯尼迪学院助理教授）
Robert Gaines（波莫纳学院学术事务副校长兼学院院长、地质学教授）
Russell Dean Christopher Bicknell（新英格兰大学古生物学博士后研究员）
编译：Måka
#参考来源：
https://theconversation.com/ancient-brains-a-look-inside-the-extraordinary-preservation-of-a-310-million-year-old-nervous-system-164321
https://www.une.edu.au/connect/news/2021/07/decoding-the-secrets-of-a-310-million-year-old-brain
https://pubs.geoscienceworld.org/gsa/geology/article/doi/10.1130/G49193.1/606398/Central-nervous-system-of-a-310-m-y-old-horseshoe
#图片来源：
封面来源：Bicknell, R. et al. / Geology (2021)