他們找到這個“新寶藏”,不僅僅是靠運氣 記西北大學早期生命與環境創新研究團隊

中國—湖北—宜昌—長陽。

2019年3月22日,世界的目光突然聚集在這個地處鄂西南山區的土家族自治縣,而被當地人視作“母親河”的清江,一夜之間名揚天下。

中國科學院院士舒德干帶領的西北大學地質學系早期生命與環境創新研究團隊,早已預見到這一切——甚至在5年前,他們就深信“清江”這個名字,將會在古生物學研究史上,占據一個耀眼的位置。

當清江生物群在世界各大媒體上大放異彩的時候,中國西北大學早期生命與環境創新研究團隊的張興亮教授正帶領項目團隊在長陽當地鉆井取樣,以期探索寒武紀生命大爆發時期古生物環境條件如何影響生態結構及演化,并試圖破解動物軟體結構特殊埋藏機制。

 

探秘寒武紀生命大爆發

在距今5.4億年的早寒武世,地球生命演化史上出現了一次規模最大、影響最深遠的生物創新事件。在不到地球生命發展史1%的“瞬間”創生出了90%以上的動物門類。如何解釋在如此短的時間內突然涌現出如此之多的動物門類?這不僅是在一個半世紀前提出進化論思想的達爾文要面對的難題,時至今日,它依然是“當代自然科學六大難題”之一。

達爾文曾在《物種起源》中寫下自己的困惑:“如果物種是由其他物種經過細微的漸變演化而來的,那么,為什么我們并沒有處處見到大量的過渡類型呢?為什么自然界的物種,如我們見到的那樣區別明顯,而不是彼此混淆不清?”但是他堅信,按照“進化論”的理論,“無數過渡類型一定曾經存在過,可能以化石的形態被埋藏著,只是地質記錄比一般想象還要不完整得多。”

上世紀90年代以來,西北大學早期生命研究團隊在舒德干院士的帶領下,在云南澄江生物群、陜南寬川鋪生物群找到了春光蟲、仙人掌滇蟲、古蟲動物門、古囊動物、云南蟲類、華夏鰻、長江海鞘、昆明魚類、皺囊蟲等一系列化石珍品,基于這些在生物演化譜系中極為重要的過渡類型的發現,團隊提出早期后口動物亞界完整的譜系圖,實證了原口動物亞界中最大門類節肢動物門的起源演化及基礎動物亞界演化連貫性,揭示了動物三大亞界關鍵門類的起源和演化關系,首次提出了早寒武世完整動物樹框架。

生命之樹的猜想是達爾文進化論的核心,地球上的生命皆源自一個或少數幾個祖先,隨后在38億年的時間不斷分支和代謝,最終形成了今天這棵枝繁葉茂的生命大樹。近幾十年來,科學家們正在積極聯手逐步勾勒出各級各類動物之樹、植物之樹、真菌之樹、原核生命之樹,乃至統一的地球生命大樹。而舒德干等人在寒武紀大爆發前后找到地球上的動物樹逐步發育成長的隱秘證據,勾畫出動物門類起源爆發時最初成型的動物樹輪廓。

考證了三個動物亞界的階段性演化成型事實,明確界定了寒武紀大爆發的終點,舒德干等人創新性地提出了“三幕式”寒武紀大爆發假說。假說認為寒武紀大爆發并非一次性突發事件,而是一個歷時4000萬年以上的由量變到質變的多幕式演化事件,它包括前奏、序幕、主幕三個階期,并依次形成了三個動物亞界。較傳統的“幾乎所有動物門類都站在同一起跑線上”的“一幕式”寒武紀大爆發假說,“三幕式”反映了寒武紀大爆發過程的階段性和連續性,更接近動物界的真實輻射演化史。

 

尋找人類的遠祖至親

在地球生命構成的這棵譜系大樹上,人類不過是某個枝條上的一片小葉。那么,這片小葉會長在哪根枝條上?這根枝條又是在何處生出芽點的呢?沿著動物進化的方向回溯,或許就能引導人類一步一步探尋自己生命的奧秘,找出“我們是誰?”“我們從哪里來”的答案。

出現于第三紀第四紀的人類之前是什么樣子?是哺乳類、是爬行類、是兩棲類、是水生脊椎動物,再向前,就是舒德干等人1999年在澄江化石庫捉回來的“第一魚”昆明魚目。

“澄江生物群與人類早期起源密切相關,昆明魚目(包括昆明魚、海口魚、鐘健魚)甚至有可能恰好是人類的遠古祖先。”舒德干院士說。而英皇家學會會員道金斯在專著《人類祖先的故事》中推測,從原始單細胞生命演進到人類共經歷39“代”祖先,昆明魚最接近第18代祖先。作為最古老的脊椎動物,昆明魚目已經具備了頭(腦)、脊椎和心臟,為人類重要器官的早期起源提供了對應的源頭。

人類是后口動物亞界超級大家庭的一員,早期后口類祖先創生了鰓裂構造引發了新陳代謝革命而與原口類分道揚鑣,舒德干帶領團隊在澄江化石庫發現了比昆明魚更為古老更為原始的無頭無脊索的古蟲動物門,其前體不僅有大口更有咽腔型鰓裂,后體具有腸道和肛門。

達爾文在《物種起源》中說:“任何復雜的器官,不可能通過大量的、連續的和細微的改進而形成,那么我的學說便會被徹底粉碎。”同樣的,要揭示任一器官早期經過的各級過渡類型,依然必須觀察那些早已絕滅了的非常古老的原始類型。因此達爾文熱切盼望著能有后繼者為“人是源自低等動物”這一科學猜想提供越來越多的真實歷史證據。

經過對澄江生物群30年的研究,舒德干團隊已經發現那些最重大進化創新事件的可靠化石證據,在國際上首次揭示出脊椎動物、頭索動物、尾索動物、棘皮動物、古蟲動物等后口動物亞界幾乎所有門類的原始代表,勾勒出早期后口動物亞界完整的譜系演化圖,讓人們可以真實地看到從低等動物通達人類漫長旅途中那些在器官構造創新上做出杰出貢獻的原始祖先。

舒德干院士說:“在科學思想界,達爾文革命是繼哥白尼革命之后的一次最深刻、影響最久遠的革命,它將從根本上改變整個人類的世界觀。誘發這一革命并驅動它不斷前行的主要引擎是幾個偉大的科學猜想以及人們對這些猜想執著的求證。”科學猜想的提出者固然偉大,而那些孜孜以求,為了求證科學猜想付出了艱苦卓絕的努力的人們,也同樣贏得了人們的尊敬。西北大學早期生命與環境研究創新團隊在舒德干院士的領導下,正在沿著達爾文指引的方向,為求證進化論的猜想而不斷奮進。

2017年初,舒德干團隊的韓健研究員在陜南“寬川鋪生物群”發現了冠狀皺囊動物,這個直徑約1毫米的單一微球囊動物尚無肛門,只有一個相對它的身體來說奇大無比的口。皺囊蟲是迄今發現的最古老最原始的后口動物,或代表基礎動物與后口動物之間的珍稀過渡類群,這個被認為代表著顯生宙最早期的微型人類遠祖至親,或許離學界期盼已久的始祖不遠了。

澄江生物群中的后口動物的個體大小已經演化至厘米級宏觀水平,它們必然源自更古老的毫米級微型祖先,韓健認為應該還有更原始、形體更微小的后口動物存在,他把目光投向了比澄江生物群更古老約1000萬年的陜西寬川鋪動物群——一個早寒武世最早期的以微體動、植物化石為特色的生物群。經過10年的野外和實驗室的艱苦工作,韓健終于捉到了這個沒有一粒芝麻大、“渾身都是嘴”的人類遠祖。2017年2月9日,《自然》雜志以封面亮點論文的形式刊發了韓健的研究文章,并評價該研究“為人類遠古起源研究的‘重大懸案’找到了實證”。該項成果還入選了當年的“中國古生物學十大進展發布”。

 

以求真的態度做踏實的工作

自1996年舒德干和助手第一次在《自然》雜志上發表論文《云南蟲被重新解釋為最古老的半索動物》以來,西北大學早期生命與環境創新研究團隊在《自然》和《科學》上已經發表14篇論文,兩次獲得國家自然科學獎,研究成果兩次入選“中國十大科技進展”,兩次入選“中國高校十大科技進展”。

這支身處中國西北的科研團隊堪稱傳奇,隔三差五的,團隊總會有新的科學發現和科研成果震動國際學術界。因為經常要來西北大學采訪報道,很多媒體記者和舒德干院士都成了朋友。

英國《科學報告》曾在線發布了張志飛教授課題組寒武紀冠輪動物超門研究成果,成果揭示了5.3億年前軟體動物門和環節動物門的共祖特征。這項研究成果對理解后生動物門類,尤其是冠輪動物超門的系統演化有重要科學意義。張志飛關于內肛動物的發現填補了寒武紀大爆發缺乏內肛動物的空白,被評價為“成全了新達爾文主義的夢想”。

2012年,團隊的劉建妮教授在澄江化石庫發現了仙人掌滇蟲,這個來自5.2億年前,渾身長刺、身體和腿基本一樣粗的生物來后被證實是節肢動物的祖先。仙人掌滇蟲的發現解決了節肢動物這一地球上最大優勢類群起源的難題,是古生物學研究領域的重大突破。“仙人掌滇蟲”入選了2012年度國際十大生物新屬種,是唯一入選的化石新屬種,也是唯一一個代表中國入選的生物新屬種。

作為舒德干院士指導的第一位博士生,張興亮在寒武紀大爆發和動物門類起源基礎前沿取得的成果,解決了許多長期懸而未決的科學難題。2016年,由張興亮教授主持,舒德干院士、劉建妮教授、張志飛教授、韓健教授為主要完成人的“地球動物樹成型”項目獲得了國家自然科學獎二等獎。這一年,距舒德干創立西北大學早期生命研究所,整整過去了20年。

幸運女神似乎格外青睞這支團隊,使得他們在浩如煙海的化石庫里,總能找到具有非凡科學意義和價值的化石珍品。

“要說運氣,可能是有一點兒吧。”談到這些昔日的學生、今天的同事們的表現,舒德干院士笑了:“不過,我們不是用化石說話,我們是用知識說話。”

當年“西大動物”面世時,很多科學家認定它是節肢動物,將它歸屬于原口動物,但是舒德干卻在顯微鏡下觀察到它有鰓裂,而鰓裂構造恰恰是古蟲動物門的核心構造特征,舒德干認為應該將“西大動物”歸屬于后口動物。1995年,當舒德干在寒武紀大爆發國際學術研討會上宣布他的發現時,聽到的卻是一片反對之聲。爭論一直延續到2001年,舒德干在《自然》發表論文,確定了西大動物是古蟲動物,并得到了學術界的廣泛認可。

“在這場論辯中,我首先得益于我的生物學知識,是知識給了我自信。創新不是異想天開,創新要以知識為基礎,思考才會更深入。”回憶往事,舒德干院士感嘆科學工作者要敢于質疑,更要做出經得起質疑的研究工作。

“幸運”的背后,是在野外無數次揮動手中的地質錘,是背著幾十公斤的石頭在山路上奔波,是長時間在顯微鏡下觀察引發的頭疼、惡心,是一遍遍修改論文的郁悶,是一次次科研失利的挫敗,是被燈光照亮的無數個不眠之夜,是節假日堅守在實驗室里的寂寞和冷清……更是科學家們對事業的執著和堅持,對科學真理無限的熱愛。“不馳于空想,不騖于虛聲。而惟以求真的態度,作踏實的工夫。”從發現化石到最終發表研究成果,中間往往是5年、10年,甚至是更長時間的學習和研究。在發現清江生物群之前,研究團隊的張興亮教授和傅東靜副教授每年都拿著地質圖,帶領團隊在全國進行巡回野外踏勘,華南、華北,甚至新疆,凡是有寒武紀泥質頁巖的地區,都留下了團隊的足跡。

動物界有38個門,在寒武紀大爆發時期已發現20個現生動物門和6個滅絕動物門類,還有18個現生動物門類在寒武紀大爆發時期未找到化石代表。新化石產地發現的意義格外重大,清江生物群中已經發現了許多形態奇異的嶄新物種。“隨著日后研究工作的展開和深入,清江生物群在揭示動物樹最初成型中的重大事件,探索人類最早的進化軌跡,特別是研究動物樹和環境的協同變化關系等方面,一定會取得震驚世界的科研成果。”73歲高齡的舒德干院士對團隊以后的研究工作充滿了期待:“前面還有很多工作需要年輕人來完成。我希望最好的研究工作,由中國人來完成。”

鏈接:http://mrdx.cn/content/20190415/Articel04002BB.htm

 


< 上一篇

“攀樹課”火了 西大有個網紅“注冊攀...

探尋五億年前“生命大爆發”之奧秘 ...

下一篇 >