进化古生物学重大突破 | 西北大学80后女科学家Science发文：发现寒武纪“化石宝库”
- 2019-03-22 21:35:38
- 来源： 西北大学
- 作者：西大宣传部
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《科学》杂志同期刊发了题为“寒武纪化石宝库”的专家评论。国际著名古生物学家Allison C. Daley评价：“清江生物群是令人震惊的科学发现！其化石丰富度、多样性和保真度世界一流，科学价值巨大。后续研究将有望填补我们对于寒武纪大爆发的认知空白并解决动物门类起源演化方面一系列科学问题。”
出生于1982年的傅东静副教授是该论文的第一作者，张兴亮教授为通讯作者，西北大学是论文第一完成单位。这是由中科院院士舒德干领衔的西北大学早期生命与环境创新研究团队自1996年以来在《自然》（Nature）、《科学》（Science）上发表的第14篇研究论文。
进化古生物学的突破性发现
寒武纪大爆发与生命起源、智能起源等共同被列为“六大自然科学难题”。而要破解寒武纪大爆发的奥秘，除了基于理论的科学猜想，更需要发现恰当的科学观察窗口——化石库，以找到可靠的化石实证。
对古生物学者而言，最完美的、可解密寒武纪大爆发与动物门类起源的研究对象，莫过于布尔吉斯页岩型化石库。
布尔吉斯页岩型化石库
相较于常见的类似保存着脊椎动物骨骼的硬体化石库，布尔吉斯页岩型化石库不仅可以保存动物骨骼以外的组织、器官等软体形态，更可以保存诸如水母、海葵等软躯体生物。
该类型的化石库能够最大程度地还原寒武纪生物群原本的、完整的组合面貌，为探寻寒武纪大爆发的演化模式和强度以及构建动物生命树的基本结构提供绝佳的化石记录。
布尔吉斯页岩型化石库最早在1909年发现于加拿大落基山脉寒武纪中期的布尔吉斯页岩中，并因此命名。该化石库长期在古生物学和进化生物学研究中“独领风骚”。百余年来，此类化石库在全球各地已发现50余个，但按照化石保存质量的优劣及化石物种多样性的高低等标准来看，仅有加拿大布尔吉斯页岩生物群（此处生物群可等同理解为化石库）和1984年发现于我国云南省的澄江生物群成为了“理想的顶级研究目的地”。云南澄江生物群发现35年来，已在数十万件化石标本中发现了超过280个物种，研究成果28次登上Nature/Science/PNAS三大科学期刊，成为我国唯一化石地世界自然遗产。
此次发现的清江生物群，在4351件化石标本中，已分类鉴定出109个属，其中53%为此前从未有过记录的全新属种。生物统计学“稀疏度曲线”分析显示，清江生物群的物种多样性将有望超过包含布尔吉斯和澄江在内的全球已知所有寒武纪软躯体化石库。
傅东静介绍，“清江生物群的特色和优势，体现在新属种比例最高、后生动物相对多样性最大、软躯体生物类群最多、化石形态保真度最优、原生有机质的埋藏保存最好等五个方面，具有难以估量的研究潜力。”
清江生物群模拟复原图
显然，位于中国宜昌的清江生物 群，在《科学》刊发 文章的这一天，就向全球昭示，这里将成为开展寒武纪生命大爆发研究最理想的 顶级“化石宝库” 。
拥有无限可能的“化石宝库”
如今地球上的动物界共有38个门，在寒武纪生命大爆发时期的化石中，已发现20个现生的动物门类和6个已灭绝的动物门类，但仍有18个现生动物门类尚未在寒武纪找到化石代表。在过去的35年间，古生物学家曾在澄江生物群的研究中找到了许多动物门类的最早化石记录。
清江生物群距离澄江生物群化石产地1050公里，张兴亮介绍，“生物地层学研究显示，清江生物群和澄江生物群是同时代的、位于不同古地理位置的生物群。二者都距今约5.18亿年，处在寒武纪生命大爆发时期动物门类爆发式出现的极盛时期。两者的科学研究价值具有很强的互补性。与澄江生物群相比，清江生物群生活于远离海岸的较深水环境，代表了不同生态环境下的全新生物群落，这一点从其超过半数以上的新属种可以证实。因此，清江生物群后续的大规模发掘，将为发现和探索新的躯体构型和新的动物门类提供第一手材料。”
在新的化石产地，除了能够找到更多新的动物门类，不断丰富物种多样性外，全新的生物组合面貌的揭示，尤其是具有创新身体结构的重要生物类群的发现，将为研究早期生命演化的关键环节和过程提供新的证据。
以中科院院士舒德干领军的西北大学地质学系早期生命与环境创新研究团队在达尔文提出的地球生命呈“树形演化”猜想基础上，通过数十年的研究与实证，勾勒出了寒武纪生命大爆发时基础动物、原口动物、后口动物三大枝系演化“大树”的基本轮廓，进而在全球首次构建了完整的早期动物谱系树框架图。
“通过我们已开展的研究发现，清江生物群中双胚层辐射对称的动物占主导，刺胞动物身体构型分异度高，蜕皮动物类群中极其罕见的动吻动物繁盛。此外，我们还发现了许多形态奇异的崭新物种。随着研究的展开，清江生物群将为‘早期动物谱系树’到底在哪里分叉，在哪里开枝散叶，找到更多生物进化的直接证据。”傅东静说。
张兴亮教授（右）与傅东静副教授（左）修复古生物化石
不仅在古生物学研究领域具有突出的价值，清江生物群的发现，对于进化生物学、系统发生学以及埋藏学、地球化学等交叉学科前沿研究方向，也具有非常特殊的价值。
动物的系统发育、营养动力以及关键进化特征的出现等问题研究，依赖于发现更多的软体结构和更优质的形态保存，如内脏、鳃条、脊索、神经组织、心血管系统等等，然而众所周知，这些都属于埋藏上高度不稳定的组织器官。到底是怎样特殊的埋藏机制，才使得布尔吉斯页岩型化石库能够保存软体结构？这一疑问至今在学术界争论不休。
目前全球两个保真度最高的布尔吉斯页岩型化石库——布尔吉斯和澄江，在埋藏之后分别经历了高温变质、风化作用等严重的地质改造，其样本已无法用于深入开展埋藏学研究。而在清江生物群发现的软躯体化石，奇迹般地以原生碳质薄膜形式保存了原始的有机质，毫无疑问，这里将为开展埋藏学和地球化学研究，进而开展深入的古环境研究提供理想素材。困扰学术界多年的动物软体结构特殊埋藏机制问题，或将在清江化石库得到破解。
历时12年的“寻宝记”
谈及这个拥有无限可能“化石宝库”的发现，“应该说是偶然中的必然吧！”傅东静说。
2007年暑假，湖北的天气异常炎热。25岁的博士新生傅东静跟随着张兴亮教授带领的野外踏勘队在宜昌长阳地区考察。“当时的目标层位是石牌生物群，它比澄江生物群的出现时间稍晚，年龄更轻。”“我们每天背着干粮和地质锤在完全没有路的山里兜兜转转20多里，连续找了十几天，除了一些壳体化石和海绵之外，并没有什么大的收获。那天已近傍晚，准备收工，我们沿着河边走，张兴亮老师低头一看，说‘这石头多好啊，敲一敲再回吧！’大家像往常一样，取出地质锤叮叮哐哐地敲。很快，张兴亮老师就找到了拇指长的半只虫化石——林乔利虫。”林乔利虫是布尔吉斯页岩化石库很有代表性的一种“虾”状节肢动物。紧接着，同学们还在这个位置找到了纳罗虫。而在1984年侯先光教授发现澄江生物群的时候，第一个发现的化石也正是纳罗虫。
林乔利虫化石
“有人说我们运气好，但实际上，在发现这只林乔利虫之前的十几年间，张兴亮老师寻找这种化石群的脚步，已经走遍了全世界。幸运总是降临在有心的人身上，不是吗？”傅东静说起这段故事，满满都是为身在这个团队的自豪。
即便是找到了林乔利虫和纳罗虫，团队在华南华北还是有很多有潜力的化石产地需要去研究。“最开始我们还是全年巡回踏勘的，每年大约去清江两三次，都是等老乡告诉我们水位下去、河床漏出来的时候，我们就赶紧去，下雪也不例外。直到2014年才逐步确认了这个化石库的巨大潜力，研究重心彻底转移过来。”
不亚于在一大片麦田里找甲虫，张兴亮、傅东静和团队里一届又一届的硕博士生用十二年的时间在5亿年前的“大海”里，找出了20000多只“虫子”。
“工人用撬杠撬出来1立方米大小的石头，我们就用地质锤顺着页岩的层面劈，一边劈一边看，找到虫子就整理、编号、打包，背出山、带回实验室。然后把每一块清理、讨论、鉴定、分类、记录。”看着眼前瘦小纤弱的傅东静，很难让人联想到她坐在雪地上劈石头、啃干饼的场景。
谈及研究论文的准备，她说，“因为这次发现的化石中，超过半数的物种都是新的，所以查阅资料的工程量也非常大。 每一块化石都有一个故事，每一个关于他们的故事我们都烂熟于心。 ”
即便是成功以第一作者发了Science、召集过一流的国际学术会议，傅东静还是听不得别人叫她“80后的女科学家”。“其实我的上一篇文章都被拒了8次。要不是有舒德干、张兴亮老师他们一直以来的引领，还不停地鼓励，我怕是早就放弃了。”
傅东静所在的西北大学早期生命与环境创新研究团队，是一个成果丰硕、结构合理的学术梯队。团队目前成员16人，其中中科院院士1人，杰青2人，优青1人，长江学者特聘教授3人，青年长江学者1人，以中青年学术骨干为主，全部具有博士学位以及在海外留学和国际合作研究、主持国家级基础研究课题的经历。
舒德干（前排左二）与傅东静（前排右二）及学生交流
面对采访，舒德干院士说“我们其实没有什么才智，只是有一颗坚持的心。也可以说是‘咬定青山不放松’吧！”
关于对“清江生物群”的命名，傅东静说，一方面是因为化石埋藏地是在清江与丹江河的交汇处，更重要的一个原因，是希望清江与澄江生物群日后能够成为享誉世界的“中国两江生物群”。
这样的命名是有传承的。此前的数十年间，舒德干将其首次发现的古老生物先后以“华夏鳗”“云南虫”“昆明鱼”“西大动物”等字眼命名。他说，“这样命名就是为了纪念发现它们的地方，记载中国在科学史上的重要贡献。中国需要更多的人来为科学发现的里程碑来培土，为我们这样一个伟大的、曾经创造过无数优秀文明的国度增添更多的荣誉。”
目前，该团队在已有研究基础上，将对清江生物群开展包括古生物学、地层学、古生态学、沉积学、化石埋藏学、地球化学在内的多学科综合研究，逐步解决动物门类起源与寒武纪大爆发的深层次科学问题。
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