一“石”一乾坤——走进中国科学院脊椎动物演化与人类起源重点实验室
2020-09-21 09:50:56   来源:化石网   评论:0 点击:

朱敏(左一)在云南进行野外工作古DNA实验室团队实验室学术委员会主龙类系统发育——新数据和新方法国际研讨会(化石网报道)据中国科学报(胡珉琦):地球生命在何处产生、如何产生?什么决定了物种多样性?什么
 
朱敏(左一)在云南进行野外工作
 
 
古DNA实验室团队
 
 
实验室学术委员会
 
 
主龙类系统发育——新数据和新方法国际研讨会
 
(化石网报道)据中国科学报(胡珉琦):地球生命在何处产生、如何产生?什么决定了物种多样性?什么基因的改变造就了独特的人类?人类合作行为如何发展……
 
2005年,《科学》对当前驱动基础科学研究的科学难题展开了一次调查。在最重要的25个问题中,多个关乎生命演化。
 
“可唯独缺了‘从鱼到人’这条演化主线的问题。”中国科学院脊椎动物演化与人类起源重点实验室(以下简称脊椎动物演化与人类起源重点实验室)主任朱敏说。
 
“人之由来”是永恒的天问。古生物学已经揭示,脊椎动物的进化最早可以追溯到距今5.3亿年前的一条最古老的鱼。
 
在“从鱼到人”的这段波澜壮阔、跌宕起伏的演化历程中,许多关键节点的脊椎动物化石正是由中国科学院古脊椎动物与古人类研究所(以下简称古脊椎所)学者首次发现的,它们通通被标记在世界古生物研究的版图上。
 
现在的古生物学研究已经不是过去单一学科的模式,而成为了一场地球科学与生命科学的“共舞”。12年前,脊椎动物演化与人类起源重点实验室的成立,不仅见证了这一碰撞的开端,还亲自参与并为这门古老学科带来了崭新的生命力。
 
守正:“从鱼到人”的演化主线 
 
在本世纪初的近15年里,古脊椎所研究员朱敏带着中国早期脊椎动物研究课题组,为有颌类动物的起源与早期演化、硬骨鱼纲动物的起源与早期演化、四足动物的起源这三个重要研究方向找到了极为关键的化石证据。
 
这些化石的意义就在于,解决了古生物学与演化生物学领域一些长期争论不休的理论问题,比如颌的起源、人面骨骼的出现、硬骨鱼纲的起源、肉鳍鱼亚纲的起源等等,并且改变了学术界对这些重大问题的固有认识。
 
与其有着同等分量的,是中科院院士周忠和、古脊椎所副所长徐星研究员领衔的热河生物群研究。他们在鸟类及其飞行和羽毛的起源,恐龙、翼龙、早期鸟类、哺乳类和两栖类的进化等方面取得了一系列举世瞩目的原创性成果。
 
古脊椎所正是凭借我国得天独厚的脊椎动物与人类化石资源和独特地质条件,在国际上形成了“从鱼到人”这条脊椎动物演化主线研究的优势地位。
 
徐星告诉《中国科学报》,研究所许多成果和学术观点,已经被西方权威教科书所采用。而在大名鼎鼎的英国自然历史博物馆内,中国古脊椎动物学奠基人、古脊椎所首任所长杨钟健的照片,与达尔文、欧文等世界级科学泰斗悬挂在一起,他也是亚洲唯一获此殊荣的科学家。
 
与已有90年历史的古脊椎所相比,脊椎动物演化与人类起源重点实验室的成立虽然只有短短12年,但无论研究方向还是科研文化,都与古脊椎所一脉相承。
 
朱敏更表示,古脊椎所一直举全所之力“经营”这一实验室。
 
近年来,来自脊椎动物演化与人类起源重点实验室的重大发现常被《科学》《时代周刊》和《发现》等列入年度重要新闻。
 
一门古老的小学科,何来如此大的社会影响力?
 
化石是地球亿万年来生物演化和人类起源的重要证据,而关于生命的演化还有着数不清的难题。每一次重要化石的发现,都是在不断拓展全人类的知识疆界。中国古生物学家笔下是一个个洪荒时代的史诗故事,既关乎这个世界的过去,也预示着它的未来。所以,这些成果的显示度常常超乎人们的想象。
 
“但是,发现了重要化石并不等同于做出了重要研究。”古脊椎所所长邓涛强调。
 
“古生物学绝非简单的材料科学。在化石发现和物种描述的基础上,需要重建脊椎动物的系统发育关系,揭示脊椎动物重要类群的起源、形态功能演化以及宏演化机制。”他直言,这才是古生物学研究真正的价值所在,也是实验室科研成果的内涵所在。
 
化石是尘封的印记,而找到打开印记的方法考验的是研究人员的洞察力。邓涛说:“如果研究者没有完整、深厚的知识积累,就很难以小见大,阐明化石在演化历程中的角色和关键作用。”
 
为此,脊椎动物演化与人类起源重点实验室提供了重要支撑。
 
“与国际上同类型研究机构相比,我们实验室的科研方向是最完整的,从脊椎动物到人类演化链条上的每一个部分都有充足的科研人才和资源。”邓涛认为,正因如此,小领域之间可以随时随地打破壁垒,进行合作与互通,从而拓宽科研人员的研究视野,也更容易迸发出思想火花。
 
创新:大放异彩的古DNA研究 
 
2010年,已灭绝古人类尼安德特人的基因组草图完成,有关人类起源的故事发生了一个轰动全球的戏剧性转折——德国马普学会演化人类学研究所所长斯万特·帕博及其合作的50位科学家通过古DNA的研究方法,揭示了今天除非洲以外的所有人都带有尼安德特人的遗传密码,这种古老的人类从未完全消失。
 
古生物学是一门非常古老的学科,过去普遍认为,相比其他学科,它的研究方法和手段更新较为缓慢。但是,经典不意味着固守传统,止步不前。
 
朱敏表示,脊椎动物演化与人类起源重点实验室成立以来,一直在探索一种更有生命力的发展策略。“在当前的演化生物学领域,古今结合、宏观与微观结合已形成一股新的研究潮流,也是目前脊椎动物演化与人类起源重点实验室最为看重的发展方向。”
 
众所周知,人类对基因组结构研究的巨大进展已经影响了生命科学的方方面面,古生物学也不例外。“最近十几年是古DNA研究的一个黄金期。把现代分子生物学与原始化石材料结合起来,我们赶上了一个好时代。”周忠和说。
 
2009年,古脊椎所和中国科学院大学考古学与人类学系教授王昌燧团队成立了一个含有古DNA平台方向的人类演化与科技考古联合实验室。帕博的博士研究生付巧妹,在此组建起了一支属于中国的古DNA研究团队,开启了国内古生物学研究的一个崭新方向。
 
起初,古人类化石DNA保存差、污染重、难以获取有效遗传信息。2013年,付巧妹和帕博团队联合开发了一种类似“钓鱼”的古核DNA捕获方法,将田园洞人化石仅占0.03%的人类DNA从大量来自土壤微生物的DNA中吸附、富集并“钓取”出来。
 
2014年,付巧妹团队成功从西伯利亚距今约4.5万年的人类股骨中获得高质量的基因组序列。这项研究不仅首次提出了现代人祖先进入亚洲的路线并非只有单一的南线,还确定了现代人祖先与尼安德特人基因交流的时间。
 
此后,她开始将亚洲人群纳入人类起源和演化历史的研究,详实绘制出冰河时代欧亚人群的遗传谱图,首次在时空大框架下展示旧石器时代晚期的一段完整的人口动态变化情况……
 
今年5月,付巧妹团队发表在《科学》的一项最新成果又引起了广泛关注。它揭示出中国南北方人群的史前分化格局、融合过程和迁徙历史,而且证实了南岛语系人群的中国南方大陆起源。
 
整整10年,付巧妹广泛开展了古代人类及其伴生物种的基因测序工作,不断丰富古DNA数据库,并通过建立高水平的古DNA自动化实验平台和专业的跨学科研究团队,用生物信息学与群体遗传学等分析方法,深入探索欧亚现代人起源、迁徙路径、演化过程、环境适应及与古人类基因交流等方面的重要科学问题。她自信,团队目前的古DNA研究水平已经可以和国外一线研究机构实现“并跑”。
 
脊椎动物演化与人类起源重点实验室的古DNA团队有着截然不同的学科背景和分析方法,朱敏认为,正是古脊椎所高度开放、包容的文化基因,为亟待创新发展的古人类学研究赢得了一个重焕生机的机会。
 
融合:从“生物”向“环境”衍生 
 
2017年,历时12年,古脊椎所研究员汪筱林团队在新疆哈密戈壁大漠的白垩系地层中,抢救性采集了一件超过200枚翼龙蛋、胚胎和骨骼化石三位一体保存的标本,其中16枚翼龙蛋含有三维立体的胚胎化石。
 
1亿年前,哈密曾是一个不折不扣的“翼龙伊甸园”,这一发现被认为是“翼龙研究200年来最令人激动的发现之一”。因为如此丰富的翼龙蛋与骨骼化石的特异埋藏,在全世界都是绝无仅有的。
 
在白垩纪,这里的土地上究竟发生了什么?
 
汪筱林团队发现,哈密翼龙蛋和骨骼化石主要产自于一套含有横向不稳定、富含红色泥岩砾屑的灰白色湖相砂岩中,这些数量巨大的翼龙和翼龙蛋化石很可能经历了多次湖泊风暴事件,这种高能的风暴经过翼龙的巢穴,将翼龙蛋及生活着的不同大小、性别的翼龙带到湖岸边,经过短时间漂浮聚集后,与撕裂分散的翼龙遗体一起被快速埋藏。
 
这些翼龙个体发育、生殖和生态习性及埋藏环境等方面的分析研究,揭示了生命和环境的相互作用与协同演化的重要性。
 
脊椎动物与人类的演化从来不是孤立事件,演化历史过程中的一些重大环境事件、环境演变过程,与它们究竟存在怎样的关系,它们的演化动力机制是什么,这些多学科问题越来越吸引着古生物学家的关注。
 
脊椎动物演化与人类起源重点实验室成立以来,朱敏一直坚持古生物学与其他学科的交叉、融合。在传统的生物地层学、形态学、比较解剖学以及系统发育学的基础上,融入动物学、发育生物学、组织学、生理学、分子系统学、地球化学等多学科研究领域,已是国际学术界探索有关演化问题的主流。
 
10年前,中科院地球环境研究所研究员李小强的跨界“加盟”,增强了脊椎动物演化与人类起源重点实验室古环境演化领域的研究实力。实验室正朝着演化生态学的方向发展,重建脊椎动物与环境协同变化的过程与机制,回应国家重大需求。
 
作为实验室副主任,李小强的任务是从4亿年前开始形成的地球陆地生态系统角度出发,研究陆地生物和环境的相互作用与协同演化等重大科学问题。利用脊椎动物化石、植物化石及其他地质—生物指标记录,研究重大地质环境事件及其对陆地生物群演化的影响。
 
“特别是新生代以来,气候环境发生了多次重大变化,而中国新生代沉积盆地发育、生态类型丰富、化石地点众多、标本数量巨大,在开展人类和动物与环境协同演化研究方面具有得天独厚的条件和不可替代的资源优势。”李小强表示,探讨新生代以来环境演变特别是重大环境事件对脊椎动物演化的影响与制约,揭示人类起源演化与环境变化的关系,是这一研究方向关注的重点。
 
近5年来,在古环境重建的化石证据、动物食性演化及环境适应、人类何时扩散到青藏高原腹地、如何适应和征服极端环境、新石器时代农业转型及人类适应方式和策略等方面,脊椎动物演化与人类起源重点实验室已经收获了诸多成果。
 
2017年9月,以古脊椎所和中国科学院南京地质古生物研究所为共同依托单位的“生物演化与环境卓越创新中心”正式获批筹建。它的成立,围绕古生物学、地层学和古环境学研究前沿交叉领域,让不同学科因聚合而迸发出巨大的创新活力。
 
老树新枝 技术“加持” 
 
古生物学最大的实验室在野外,这是许多古生物学者的共识。但回到研究机构,想要最终解开那些野外发掘的化石所蕴藏的失落信息,除了用心、用眼,也少不了高新技术的“加持”。
 
上世纪80年代,中科院院士张弥曼在研究杨氏鱼时,用了连续磨片法制造蜡质模型。该方法是在化石上磨掉薄薄的一层,画一个切面图,再磨掉一层,再画一个切面,直到磨完整块化石为止。一个2.8厘米长的鱼颅骨化石,张弥曼总共画了540多幅切面图,一幅图可能就需要耗费十几个小时。
 
后来有了高精度CT设备,可以通过扫描,轻而易举地“深入”观察化石内部结构,且对化石本身没有任何损伤。
 
可就在十几年前,高精度CT设备的研发与生产长期被国外垄断,古脊椎所的CT设备显得很“寒酸”。在实验室主任朱敏眼里,“别人淘汰的都比我们强”。
 
脊椎动物演化与人类起源重点实验室的出现,实际上为研究所技术设备的提升提供了非常重要的支撑。
 
在中科院的支持下,古脊椎所与中科院高能物理研究所、中科院自动化研究所合作,根据古生物化石样品密度和空间分辨要求高的特殊性,瞄准世界“工业CT技术”在古生物领域应用的领先水平,研制出两台高分辨率古生物CT设备。
 
2016年,实验室又与中科院高能物理研究所合作研发了世界上首个板状化石CT(CL),专用于“板状化石”三维扫描。
 
现在,脊椎动物演化与人类起源重点实验室共设立了5个实验技术中心:高精度CT中心、古DNA分析中心、古环境演化中心、石器与生物考古中心、化石标本与大数据中心。
 
高新技术手段、古生物大型数据库、生物测量与统计分析方法等在古生物学研究中逐步得到了推广应用,如电子显微镜、高精度CT扫描、同步辐射X射线三维成像、拉曼光谱分析、有限元分析、计算机模拟和仿真、微量元素分析、高通量测序、古DNA分析、演化生物学大数据计算、光释光测年、稳定同位素测试等,它们可以采集海量的信息并快速处理,使得大范围、大纵深时间尺度的研究成为可能。
 
就在今年新冠肺炎疫情期间,朱敏花了几个月时间,埋头整理、清洗了脊椎动物中将近2万个分类单元(属种)的数据,而过去这些数据都是分散的。
 
这项工作也是中国科学院A类战略性先导科技专项“地球大数据科学工程”中,由朱敏负责的一个子课题“古生物与古环境综合数据库构建及其应用”的内容。
 
“演化生物学的发展越来越模型化,它从过去的定性描述,转入到定量数据分析阶段,这将是一个很大的发展趋势。”朱敏认为,这一转变,需要借助实验平台CT扫描、数据采集、数学建模等技术和分析手段的整合,从而占领数据制高点。
 
中国科学院脊椎动物演化与人类起源重点实验室简介 
 
实验室成立于2008年,原名为“中国科学院脊椎动物进化系统学重点实验室”;2012年,为了更好地整合资源,“中国科学院脊椎动物进化系统学重点实验室”与“人类演化与科技考古联合实验室”合并为“中国科学院脊椎动物演化与人类起源重点实验室”;2013年4月经中科院批准正式更名。
 
合并后的实验室在充分利用我国得天独厚的脊椎动物与人类化石资源和独特地质条件的基础上,整合古生物和现生生物资料,面向世界科学前沿开展古生物学、古人类学和演化生物学关键科学问题的探索与理论研究;以丰富人类社会的公共知识体系为己任,积极承担与国家发展目标相关的重大项目,为探讨地球与生命的协同演化,以及人与自然的和谐发展提供科学支撑;努力培养和造就一支优秀科研队伍,将实验室建设成为在国际古生物学界和演化生物学界具有重大影响与鲜明古今交叉学科特点、在国内引领相关学科领域发展并具有强大凝聚力的研究基地。《中国科学报》 (2020-09-17 第4版 聚焦)

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