他们发现已知最早脊椎动物有4只眼

“这项研究怎么做出来的？”

“被同行刺激出来的！”丛培允和他的两个学生相视一笑，说道。

1月22日，《自然》杂志在线发表了他们的研究，该研究证实已知最古老的（约5.18亿年前）脊椎动物具有4只相机型眼。云南大学生命科学学院博士后雷向通、古生物研究院博士后张思航为论文共同第一作者，古生物研究院研究员丛培允为通讯作者。

“我特别怕学生看到反常现象、阴性结果不敢跟我说。”丛培允对《中国科学报》说，“现代科学，没有一个人可以包打天下。鼓励大胆表达自己的观点是我们课题组的基本要求和传统。”

回溯这项历时12年的研究，作者们有过太多次的争论、反驳、说服、认可。他们曾经吵得面红耳赤，随后又携手推进研究。早期那些针锋相对的学术观点，到后期终于化为了对对方发自内心地尊敬与佩服。

澄江生物群（约5.18亿年）昆明鱼类-海口鱼属（Haikouichthys）复原图 受访者供图（下同）

第一次争吵：启发了新的灵感

即便过去了12年，丛培允仍然对那次争吵印象深刻。

那是2014年底，合作者之一、英国莱斯特大学教授萨拉·盖伯特（Sarah Gabbott）到中国访问。在丛培允的办公室，他们有过一场“很凶”的争论。

萨拉认为，早期生物化石中不会存在神经组织的残留，因为像神经、肌肉等软体组织很容易被快速降解。

丛培允不赞同。他和云南大学的同事找到了一系列的证据，证明了早期化石中可以保存神经系统。

两人各自拿出了一系列的证据，互相说服不了对方。

回合交锋中，话题转移到了“眼睛”上。“寒武纪早期一些化石中，眼睛以有机碳的形式保存，从生物结构上说眼睛中也有丰富的神经组织，它们为什么能在化石中保存几亿年？”丛培允问道。

话音落下，空气突然安静了。两个大脑同时开始飞快运转，都想找到一个确定的答案。

不如试试看！他们使用了当时最好的扫描电子显微镜和飞行时间二次离子质谱仪来寻找眼睛化石中是否存在黑素体，这是专门用来存储黑色素的细胞器。如果存在，或许可以找到神经系统保存的关键线索。结果一无所获。

丛培允没有放弃。2017年，他们又继续和另外一位合作者雅克布·温瑟（Jakob Vinther）进行了更多的尝试，仍然不见黑素体的踪影。

“这是为什么？”丛培允的希望几乎破灭。毕竟这两位合作者都是领域内的高手，后者更是化石黑素体/黑色素研究的先驱。

澄江生物群中的昆明鱼类化石—海口鱼属（Haikouichthys）

被同行刺激到了，他“疯了一样”推进研究

后来，云南大学有了自己的扫描电子显微镜等设备。2019年，刚入学的博士生雷向通成为了扫描电子显微镜的管理员，他为课题组的研究做了许多技术储备。

2022年，一项发表在《科学》的研究引发了大家的关注，我国学者在云南虫化石中鉴定出了蛋白质纤维的残留物。

按理说，黑素体比蛋白质更难降解，连蛋白质都能保存下来，黑素体怎么会保存不下来？换言之，他们怎么就找不到黑素体的蛛丝马迹？

“我一下子被刺激到了！开始疯了一样地钻研电镜。”雷向通说。

用扫描电子显微镜观察化石标本，存在一个技术难题。

通常，需要先对样本进行镀金或镀碳处理，增强其导电性。但观察化石标本却无法镀膜，这会影响后续的元素成分分析。因此，这更加考验操作者的技巧和对结构部件的熟悉程度。

“我把电镜每个零部件、每个参数都研究过了，用得熟练之后，跟丛老师吹牛‘我现在还可以’。”雷向通说。

丛培允决定“考验”一下这个信心十足的小伙子，“我们之前看不到的黑素体，现在能不能再试试？”

2022年年底，课题组完成了对一批新标本的初步鉴定工作，其中就有海口鱼和昆明鱼类未定种的化石。

“我迫不及待地拿去试，没想到一下子就看到了黑素体。我非常兴奋！”雷向通说。第二天的组会上，他便分享了这一结果。

“在两侧眼睛中发现大量黑素体不奇怪，但中间怎么也有两块黑素体堆积？”丛培允问道。原来，在雷向通展示的图像中，共有4个圆形的黑素体堆积区域。

雷向通心里“咯噔”一下：“坏事儿了，拍到的难道不是黑素体？”后来的事实证明，他没有错。

第二次争吵：看到的究竟是“鼻囊”还是“眼睛”？

丛培允把结果告诉给前述两位合作者，他们完全不相信：“我们试了很久都没找到，你们看到的可能是细菌污染。”

同样在2022年，博士后张思航加入了课题组。他和雷向通开始联手探索黑素体的真实性及演化意义。用丛培允的话说，“把两个人绑在了一条船上。”

根据已有研究，他们看到的中间两个黑点有两种可能：一是鼻囊组织的残留，二是松果体的残留。这也是让两位年轻人反复争论的问题。

一次去食堂吃饭的路上，他们又为此吵了起来，雷向通认为是鼻囊，张思航认为是松果体的前体、也就是后来被证实的眼睛。“吵到很多路人停下来看，还是谁也说服不了对方。”张思航说。

后来，随着越来越多的证据被挖掘出来，大家逐渐意识到，张思航的观点是对的。

对于如今的脊椎动物来说，主要靠两只眼睛“看”外界。物体的反射光通过晶状体折射成像于视网膜上，再由视觉神经感知传给大脑。眼睛和照相机的成像原理一样，因此被科学家们称为“相机型眼”。

要证明化石中间的两个黑点也是相机型眼，就需要找到晶状体、视网膜这两个最有潜力保存为化石结构的证据。

研究者们首先利用扫描电子显微镜、拉曼光谱、双束电镜与透射电镜等技术手段，从形态学的角度论证了昆明鱼类的侧眼和中间的两个黑点中都保存了丰富的黑素体，这是论证视网膜存在的关键证据。

“我们又进一步利用低角度光成像、扫描电镜、荧光显微镜等技术，发现在昆明鱼类的侧眼和中间的两个黑点中，存在一个立体保存的规则结构，其形状、大小、相对位置都和更早期的其他脊椎动物化石中的晶状体一致。”张思航说。

至此，证据链完整了。研究者们确认，约5.18亿年前、已知最古老的脊椎动物具有4只相机型眼，化石中间的两个黑点也是眼睛。

后来，团队还进一步分析了寒武纪中期布尔吉斯页岩生物群中的另一种脊椎动物化石，也发现了同样的结论。

澄江生物群昆明鱼类眼睛中保存的黑素体化石

第三次争吵：鱼的眼球转向哪儿

要让这一结果彻底被大家信服，还需要从生物演化的角度研究清楚，这多出来的两只眼睛从哪里来？它和另外两只眼睛的功能一样吗？

其实，对一些鱼类、两栖类、爬行类脊椎动物来说，它们脑门上的松果体被称为“第三只眼”，具有简单的感光功能。甚至在一些蜥蜴类动物中，它可以发育成典型的相机型眼。而在哺乳动物中，松果体的主要功能是分泌褪黑素、调整昼夜节律。

现有的胚胎学证据表明，眼睛与松果体均发育自相同的胚胎组织，这预示二者可能具有相同起源。

“我们通过比较松果体在脊椎动物演化树上的形态发现，它是由具有视觉功能的器官逐渐特化为了内分泌器官，进而发挥调节昼夜规律和睡眠的功能。”张思航告诉《中国科学报》。

也就是说，中间的两只眼睛同样具有视觉功能，和另外两只眼睛一样，而不是后来的内分泌器官。

当所有的证据链完成闭环后，合作者萨拉特别高兴，一直跟丛培允说，“我太高兴了！真没想到你们能把技术工具用得这么极致。我试过很多办法，都没做出来。”

论文作者之一、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员徐星也表示：“这项研究改变了对脊椎动物视觉系统早期演化的认识，对理解脊椎动物的起源产生了重要影响，预示着脊椎动物在澄江生物群之前就经历了复杂演化过程，但目前这段演化历程还是空白，需要未来更多、更深入的研究工作。”

虽然对研究结果表示肯定，但到了论文撰写投稿阶段，研究者们的争论还是一点儿也不少。

在绘制的海口鱼复原图时，就连眼球的朝向，他们都争论了十多个回合，前后发了20多封邮件。

“关于科学问题的细节，我们曾讨论得非常激烈。不同作者的研究背景不同，想要达成共识，这种激烈的讨论是必须的。”丛培允说。

未来，这伙有着十几年友谊的“老搭档们”还会继续合作，也会继续争论下去。