以下文章经 The Conversation 许可转载，The Conversation 是一家报道最新研究的在线出版物。
像我们这样的古生物学家已经习惯于研究对于许多习惯于研究活体生物的生物学家来说显得奇异的化石。而且，随着我们追溯到更久远的地球历史，化石开始看起来更加怪异。它们缺乏尾巴、腿、骨骼、眼睛……任何可以帮助我们理解这些生物在生命之树中位置的特征。在这种情况下，古生物学变得更加困难。
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这个问题在埃迪卡拉纪时期尤为明显，该时期从 6.35 亿年前持续到 5.41 亿年前。来自这个时代的奇特且完全是软体的化石组合被统称为埃迪卡拉生物群。尽管进行了近 70 年的仔细研究，古生物学家仍然没有在它们中找到关键特征，从而使我们能够理解这些生物与现代动物的关系。埃迪卡拉生物群中显而易见的形式在很大程度上是真正独特的——我们在理解它们在进化史中的地位方面并没有任何进展。
我们没有寻找能够让我们将其中一些生物硬塞进已知动物类群的特征，而是采取了一种不同的方法。它依赖于一种称为计算流体动力学的技术，该技术使我们能够逆向工程解读这些生物在海洋环境中的生活方式。
神秘化石
埃迪卡拉纪时期是地球历史上一个关键时期；它的开始是所谓的“雪球地球”事件的最后阶段——地球整个表面被冰覆盖数百万年的时期。它逐渐过渡到随后的寒武纪地质时期，寒武纪见证了许多我们在今天认识的动物类群的首次出现。这就是通常所说的寒武纪大爆发。
当在埃迪卡拉纪时期发现大型、复杂的化石时，研究人员自然而然地期望其中许多化石代表了与寒武纪时期已知的动物类群相同的早期亲属。但是这些埃迪卡拉生物似乎与现代动物完全不同。
例如，类羽 প্রাণী 是一类叶状和垫状生物的集合，它们具有独特的 fractal 结构，由一系列分支的“frond”元素构成，每个元素长几厘米，每个元素本身又由更小的、相同的 frond 元素组成。
另一种生物——Tribrachidium——是一种小的半球形生物，具有三个凸起的枝状结构，这些结构在生物顶部相遇，并以逆时针方向向边缘弯曲。
那么，像这些奇怪的生物如何与之前和之后出现的生物相适应呢？我们一直无法将它们放在任何进化树上。
为了更好地理解这些生物，古生物学家不得不采取不同的方法。我们放弃了所有关于它们可能与什么相关的假设，而是试图回答更基本的问题。例如，它们移动吗？它们如何进食？它们如何繁殖？通过回答这些问题，我们可以开始理解它们的生物学和生态学，这反过来可能为这些生物与其他多细胞生命形式的关系提供线索。这就是我们已经开始逆向工程解读埃迪卡拉生物群的方式。
流体动力学建模以逆向工程解读化石
我们掌握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，许多（如果不是全部）生活在浅海环境中的动物已经进化出适应性，使它们能够与水流相互作用并操纵水流，要么是为了减少阻力并防止它们被冲走（想想帽贝和藤壶），要么是为了帮助进食（想想海百合、海葵和柳珊瑚）。因此，通过研究生物在流动流体中的行为方式，我们可以了解很多关于生物的生物学和生态学的信息。
对于现代物种，研究人员可以研究活体动物周围的流体流动。但是对于已经灭绝超过五亿年的生物——例如埃迪卡拉生物群——使用 CFD 进行虚拟模拟是唯一的方法。
这是我们如何做的。首先，我们获得化石的数字 3D 模型，并将其放置在虚拟水槽中。然后，我们模拟水流流过和绕过数字化石。可视化生物周围的流动和再循环模式使我们能够测试关于生物如何移动和进食的假设。对于像埃迪卡拉生物群这样神秘而晦涩的事物，这些见解可能会使我们更接近理解它们是什么。
我们最近对神秘的埃迪卡拉化石 Parvancorina 的研究是这种方法的一个例子。Parvancorina 是一种外形简单的盾形生物，通常长 1-2 厘米，顶部表面有一系列锚状脊。尽管人们以各种方式解释它，但大多数科学家都认为它固定在海底——我们称之为固着生物。没有人见过与 Parvancorina 一起保存下来的肢体，也从未发现它与化石化的足迹或踪迹有关联。
我们决定通过构建两种已知的 Parvancorina 物种的 3D 模型来测试这个想法，然后使用 CFD 来查看它们独特的表面结构如何在不同方向上影响流体流动的模式。我们的结果表明，模型周围的水流模式根据其在水流中的方向而发生显着变化。
假设 Parvancorina 是一种悬浮滤食动物，我们的结果表明，只有当它朝向一个特定方向时，它才能很好地捕捉海水中的食物。如果您是一种固着的悬浮滤食动物，就像埃迪卡拉生物群的其他一些成员一样，这显然是个坏消息。如果您依赖水流将充满营养物质和食物颗粒的水输送到您的嘴或进食器官，您希望无论水流朝哪个方向流动，这种情况都会发生。如果您被困在一个地方并且水流发生变化，那么如果您只能在水流从一个方向流向您时才能收集食物，那么您就会遇到问题。任何其他合理的进食方式——例如，食腐——也意味着这些生物具有移动的生活方式。
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具有任何类似头部和尾部的结构），但我们通常认为盾形端是前端。我们表明，与侧向放置时相比，Parvancorina 正向水流时所受的阻力通常较低。如果您是一种固着生物，这也是一个坏消息，因为它会让您在强流中容易被从沉积物中冲走。
从这两个观察结果中得出的推论很明确：Parvancorina 更适合作为一种移动的生物，而不是固着生物生活。
对 Parvancorina 生活方式的新理解
这个结论可能听起来像是地球生命故事中的一个小脚注。但我们相信，它对我们如何看待整个埃迪卡拉生物群具有重要的意义。
首先，目前对 Parvancorina 的了解非常少，任何额外的信息都至关重要。它具有移动性的知识将帮助我们弄清楚这种化石在生命之树中的位置。
其次，Parvancorina 具有移动性，但没有留下任何移动痕迹的推论很重要——这意味着我们假设为固着生物的许多其他埃迪卡拉化石实际上也可能是移动的。这可能需要我们重新构想埃迪卡拉生态系统，使其比我们之前认为的要动态得多，并且由此推断，要复杂得多。
通过使用诸如计算流体动力学之类的工具来逆向工程解读埃迪卡拉生物群，我们越来越接近理解它们代表什么，以及它们在寒武纪大爆发前 1500 万年的生活和功能方式。
本文最初发表于 The Conversation。阅读 原文。