他们找到这个“新宝藏”,不仅仅是靠运气 记西北大学早期生命与环境创新研究团队
信息来源:新华每日电讯         发布时间:19-04-15      点击:2643次

中国—湖北—宜昌—长阳。

2019年3月22日,世界的目光突然聚集在这个地处鄂西南山区的土家族自治县,而被当地人视作“母亲河”的清江,一夜之间名扬天下。

中国科学院院士舒德干带领的西北大学地质学系早期生命与环境创新研究团队,早已预见到这一切——甚至在5年前,他们就深信“清江”这个名字,将会在古生物学研究史上,占据一个耀眼的位置。

当清江生物群在世界各大媒体上大放异彩的时候,中国西北大学早期生命与环境创新研究团队的张兴亮教授正带领项目团队在长阳当地钻井取样,以期探索寒武纪生命大爆发时期古生物环境条件如何影响生态结构及演化,并试图破解动物软体结构特殊埋藏机制。

 

探秘寒武纪生命大爆发

在距今5.4亿年的早寒武世,地球生命演化史上出现了一次规模最大、影响最深远的生物创新事件。在不到地球生命发展史1%的“瞬间”创生出了90%以上的动物门类。如何解释在如此短的时间内突然涌现出如此之多的动物门类?这不仅是在一个半世纪前提出进化论思想的达尔文要面对的难题,时至今日,它依然是“当代自然科学六大难题”之一。

达尔文曾在《物种起源》中写下自己的困惑:“如果物种是由其他物种经过细微的渐变演化而来的,那么,为什么我们并没有处处见到大量的过渡类型呢?为什么自然界的物种,如我们见到的那样区别明显,而不是彼此混淆不清?”但是他坚信,按照“进化论”的理论,“无数过渡类型一定曾经存在过,可能以化石的形态被埋藏着,只是地质记录比一般想象还要不完整得多。”

上世纪90年代以来,西北大学早期生命研究团队在舒德干院士的带领下,在云南澄江生物群、陕南宽川铺生物群找到了春光虫、仙人掌滇虫、古虫动物门、古囊动物、云南虫类、华夏鳗、长江海鞘、昆明鱼类、皱囊虫等一系列化石珍品,基于这些在生物演化谱系中极为重要的过渡类型的发现,团队提出早期后口动物亚界完整的谱系图,实证了原口动物亚界中最大门类节肢动物门的起源演化及基础动物亚界演化连贯性,揭示了动物三大亚界关键门类的起源和演化关系,首次提出了早寒武世完整动物树框架。

生命之树的猜想是达尔文进化论的核心,地球上的生命皆源自一个或少数几个祖先,随后在38亿年的时间不断分支和代谢,最终形成了今天这棵枝繁叶茂的生命大树。近几十年来,科学家们正在积极联手逐步勾勒出各级各类动物之树、植物之树、真菌之树、原核生命之树,乃至统一的地球生命大树。而舒德干等人在寒武纪大爆发前后找到地球上的动物树逐步发育成长的隐秘证据,勾画出动物门类起源爆发时最初成型的动物树轮廓。

考证了三个动物亚界的阶段性演化成型事实,明确界定了寒武纪大爆发的终点,舒德干等人创新性地提出了“三幕式”寒武纪大爆发假说。假说认为寒武纪大爆发并非一次性突发事件,而是一个历时4000万年以上的由量变到质变的多幕式演化事件,它包括前奏、序幕、主幕三个阶期,并依次形成了三个动物亚界。较传统的“几乎所有动物门类都站在同一起跑线上”的“一幕式”寒武纪大爆发假说,“三幕式”反映了寒武纪大爆发过程的阶段性和连续性,更接近动物界的真实辐射演化史。

 

寻找人类的远祖至亲

在地球生命构成的这棵谱系大树上,人类不过是某个枝条上的一片小叶。那么,这片小叶会长在哪根枝条上?这根枝条又是在何处生出芽点的呢?沿着动物进化的方向回溯,或许就能引导人类一步一步探寻自己生命的奥秘,找出“我们是谁?”“我们从哪里来”的答案。

出现于第三纪第四纪的人类之前是什么样子?是哺乳类、是爬行类、是两栖类、是水生脊椎动物,再向前,就是舒德干等人1999年在澄江化石库捉回来的“第一鱼”昆明鱼目。

“澄江生物群与人类早期起源密切相关,昆明鱼目(包括昆明鱼、海口鱼、钟健鱼)甚至有可能恰好是人类的远古祖先。”舒德干院士说。而英皇家学会会员道金斯在专著《人类祖先的故事》中推测,从原始单细胞生命演进到人类共经历39“代”祖先,昆明鱼最接近第18代祖先。作为最古老的脊椎动物,昆明鱼目已经具备了头(脑)、脊椎和心脏,为人类重要器官的早期起源提供了对应的源头。

人类是后口动物亚界超级大家庭的一员,早期后口类祖先创生了鳃裂构造引发了新陈代谢革命而与原口类分道扬镳,舒德干带领团队在澄江化石库发现了比昆明鱼更为古老更为原始的无头无脊索的古虫动物门,其前体不仅有大口更有咽腔型鳃裂,后体具有肠道和肛门。

达尔文在《物种起源》中说:“任何复杂的器官,不可能通过大量的、连续的和细微的改进而形成,那么我的学说便会被彻底粉碎。”同样的,要揭示任一器官早期经过的各级过渡类型,依然必须观察那些早已绝灭了的非常古老的原始类型。因此达尔文热切盼望着能有后继者为“人是源自低等动物”这一科学猜想提供越来越多的真实历史证据。

经过对澄江生物群30年的研究,舒德干团队已经发现那些最重大进化创新事件的可靠化石证据,在国际上首次揭示出脊椎动物、头索动物、尾索动物、棘皮动物、古虫动物等后口动物亚界几乎所有门类的原始代表,勾勒出早期后口动物亚界完整的谱系演化图,让人们可以真实地看到从低等动物通达人类漫长旅途中那些在器官构造创新上做出杰出贡献的原始祖先。

舒德干院士说:“在科学思想界,达尔文革命是继哥白尼革命之后的一次最深刻、影响最久远的革命,它将从根本上改变整个人类的世界观。诱发这一革命并驱动它不断前行的主要引擎是几个伟大的科学猜想以及人们对这些猜想执着的求证。”科学猜想的提出者固然伟大,而那些孜孜以求,为了求证科学猜想付出了艰苦卓绝的努力的人们,也同样赢得了人们的尊敬。西北大学早期生命与环境研究创新团队在舒德干院士的领导下,正在沿着达尔文指引的方向,为求证进化论的猜想而不断奋进。

2017年初,舒德干团队的韩健研究员在陕南“宽川铺生物群”发现了冠状皱囊动物,这个直径约1毫米的单一微球囊动物尚无肛门,只有一个相对它的身体来说奇大无比的口。皱囊虫是迄今发现的最古老最原始的后口动物,或代表基础动物与后口动物之间的珍稀过渡类群,这个被认为代表着显生宙最早期的微型人类远祖至亲,或许离学界期盼已久的始祖不远了。

澄江生物群中的后口动物的个体大小已经演化至厘米级宏观水平,它们必然源自更古老的毫米级微型祖先,韩健认为应该还有更原始、形体更微小的后口动物存在,他把目光投向了比澄江生物群更古老约1000万年的陕西宽川铺动物群——一个早寒武世最早期的以微体动、植物化石为特色的生物群。经过10年的野外和实验室的艰苦工作,韩健终于捉到了这个没有一粒芝麻大、“浑身都是嘴”的人类远祖。2017年2月9日,《自然》杂志以封面亮点论文的形式刊发了韩健的研究文章,并评价该研究“为人类远古起源研究的‘重大悬案’找到了实证”。该项成果还入选了当年的“中国古生物学十大进展发布”。

 

以求真的态度做踏实的工作

自1996年舒德干和助手第一次在《自然》杂志上发表论文《云南虫被重新解释为最古老的半索动物》以来,西北大学早期生命与环境创新研究团队在《自然》和《科学》上已经发表14篇论文,两次获得国家自然科学奖,研究成果两次入选“中国十大科技进展”,两次入选“中国高校十大科技进展”。

这支身处中国西北的科研团队堪称传奇,隔三差五的,团队总会有新的科学发现和科研成果震动国际学术界。因为经常要来西北大学采访报道,很多媒体记者和舒德干院士都成了朋友。

英国《科学报告》曾在线发布了张志飞教授课题组寒武纪冠轮动物超门研究成果,成果揭示了5.3亿年前软体动物门和环节动物门的共祖特征。这项研究成果对理解后生动物门类,尤其是冠轮动物超门的系统演化有重要科学意义。张志飞关于内肛动物的发现填补了寒武纪大爆发缺乏内肛动物的空白,被评价为“成全了新达尔文主义的梦想”。

2012年,团队的刘建妮教授在澄江化石库发现了仙人掌滇虫,这个来自5.2亿年前,浑身长刺、身体和腿基本一样粗的生物来后被证实是节肢动物的祖先。仙人掌滇虫的发现解决了节肢动物这一地球上最大优势类群起源的难题,是古生物学研究领域的重大突破。“仙人掌滇虫”入选了2012年度国际十大生物新属种,是唯一入选的化石新属种,也是唯一一个代表中国入选的生物新属种。

作为舒德干院士指导的第一位博士生,张兴亮在寒武纪大爆发和动物门类起源基础前沿取得的成果,解决了许多长期悬而未决的科学难题。2016年,由张兴亮教授主持,舒德干院士、刘建妮教授、张志飞教授、韩健教授为主要完成人的“地球动物树成型”项目获得了国家自然科学奖二等奖。这一年,距舒德干创立西北大学早期生命研究所,整整过去了20年。

幸运女神似乎格外青睐这支团队,使得他们在浩如烟海的化石库里,总能找到具有非凡科学意义和价值的化石珍品。

“要说运气,可能是有一点儿吧。”谈到这些昔日的学生、今天的同事们的表现,舒德干院士笑了:“不过,我们不是用化石说话,我们是用知识说话。”

当年“西大动物”面世时,很多科学家认定它是节肢动物,将它归属于原口动物,但是舒德干却在显微镜下观察到它有鳃裂,而鳃裂构造恰恰是古虫动物门的核心构造特征,舒德干认为应该将“西大动物”归属于后口动物。1995年,当舒德干在寒武纪大爆发国际学术研讨会上宣布他的发现时,听到的却是一片反对之声。争论一直延续到2001年,舒德干在《自然》发表论文,确定了西大动物是古虫动物,并得到了学术界的广泛认可。

“在这场论辩中,我首先得益于我的生物学知识,是知识给了我自信。创新不是异想天开,创新要以知识为基础,思考才会更深入。”回忆往事,舒德干院士感叹科学工作者要敢于质疑,更要做出经得起质疑的研究工作。

“幸运”的背后,是在野外无数次挥动手中的地质锤,是背着几十公斤的石头在山路上奔波,是长时间在显微镜下观察引发的头疼、恶心,是一遍遍修改论文的郁闷,是一次次科研失利的挫败,是被灯光照亮的无数个不眠之夜,是节假日坚守在实验室里的寂寞和冷清……更是科学家们对事业的执著和坚持,对科学真理无限的热爱。“不驰于空想,不骛于虚声。而惟以求真的态度,作踏实的工夫。”从发现化石到最终发表研究成果,中间往往是5年、10年,甚至是更长时间的学习和研究。在发现清江生物群之前,研究团队的张兴亮教授和傅东静副教授每年都拿着地质图,带领团队在全国进行巡回野外踏勘,华南、华北,甚至新疆,凡是有寒武纪泥质页岩的地区,都留下了团队的足迹。

动物界有38个门,在寒武纪大爆发时期已发现20个现生动物门和6个灭绝动物门类,还有18个现生动物门类在寒武纪大爆发时期未找到化石代表。新化石产地发现的意义格外重大,清江生物群中已经发现了许多形态奇异的崭新物种。“随着日后研究工作的展开和深入,清江生物群在揭示动物树最初成型中的重大事件,探索人类最早的进化轨迹,特别是研究动物树和环境的协同变化关系等方面,一定会取得震惊世界的科研成果。”73岁高龄的舒德干院士对团队以后的研究工作充满了期待:“前面还有很多工作需要年轻人来完成。我希望最好的研究工作,由中国人来完成。”

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