在石头中寻找生命的轨迹—记我院泰山学者陈雷

怎么在石头中寻找远古生命演化的轨迹,山东科技大学泰山学者青年专家陈雷的团队在山东近10亿年前的地层中发现了大量的宏体生物化石标本,在休宁县寻找胚化石祖先

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在如今的地球上,有着包括我们人类在内的很多肉眼可见的生命,这些生命几乎都是多细胞生物,也就是我们常说的“高等生命”。但是,这些高等生命的“祖先”是什么时候出现的?长的什么样子?高等生命的祖先最大的15厘米,最小的甚至只有0.5毫米,它们的名字叫做“蓝田生物群”。6.35—5.8亿多年前,它们“平静”地“扎根”在海底50—200米的地方,呼吸着氧气,享受着投射进海里的阳光……这就是由中科院南京地质古生物所袁训来研究员、陈哲博士、肖书海教授、周传明研究员和西北大学的华洪教授的最新研究成果,这一成果被刊登在2月17日最新出版的《自然》杂志上。

  我们是谁?我们从哪里来?要到哪里去?

 
“我经常梦见,在三峡的青石板上,有一群化石躺在那里等着我们去发现,去解开寒武纪生命大爆发之谜”,6月17日,中国科学院南京地质古生物研究所研究员袁训来用自己亲身经历开始了泰山学术论坛的报告。
  6月17日-20日,来自国内外的200余名学者齐聚山东科技大学,参加2019年山东省泰山学术论坛“华北克拉通古生物学与地层学专题”会,探讨早期生命的起源与演化,陆地生态系统的形成和早期演化,中生代四足动物的分类和演化,华北克拉通演化等。山东科技大学副校长高建广出席开幕式并致辞,山东科技大学地科学院院长魏久传主持开幕式。
  高建广对各位专家学者的到来表示欢迎,介绍了山东科技大学办学特色、学科建设等方面的情况,着重介绍了地科学院发展现状。他表示,希望借助泰山学术论坛这个平台,聚焦问题、汇集人才,为古生物学科研究事业做出新的更大的贡献。
  寒武纪生命大爆发,为何找不到完整化石记录?在《物种起源》一书,这个问题被称为“达尔文之惑”。“而三峡埃迪卡拉生物群的发现,把高等生命的‘根’延伸到了5.5-6.3亿年前”,南古所研究员袁训来围绕自己科研发现“三峡埃迪卡拉生物群”做了学术报告。“寒武纪大爆发中生物发生矿化事件,我们研究海绵生物发现,矿化生物的化石留存打破了我们常规认识,这种研究为寻找古生物化石提供了新的思路。”以海绵动物为例,弗吉尼亚理工学院教授肖书海论述了团队的研究进展。新元古代大冰期之前的地球生物形态一定是很小的吗?山东科技大学泰山学者青年专家陈雷的团队在山东近10亿年前的地层中发现了大量的宏体生物化石标本,是地球上最早的宏体生物生态系统,这个最新的研究进展或能再次打破人们常规认识。
  围绕古生物学与地层学相关专题,来自弗吉尼亚理工学院、中国科学院南古生所、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所、北京大学、西北大学、云南大学、香港大学、中国地质科学院地质研究所等高校、科研院所的知名院士、学者介绍了各自团队的最新研究进展,相关系部博士、硕士200余人参加了论坛。
  山东科技大学泰山学者周长付表示:“地球46亿年沧桑巨变,尤以史前生命的兴衰更替最为引人入胜,如同张喜光老师报告所讲,找到某一时期的化石去研究生命起源是研究人员的梦想,本次由山东省教育厅主办、山科大承办的泰山学术论坛上,大家围绕最新进展进行了学术探讨,相信能进一步提高古生物学与地层学领域的研究水平。”

在休宁县寻找胚化石祖先

  “要回答这个终极问题,就必须追寻生命起源与演化的轨迹,而线索就在以化石形式保存的古老的岩石中,这就是我们研究化石的意义”,长期寻找和研究化石,已成了陈雷人生最大的乐趣和追求。

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2007年,南京地质与古生物研究所尹磊明研究员为首的研究小组,在湖北宜昌地区发现了迄今最古老的动物化石,它的年龄已经达到了6.32亿岁。当时发现的“化石”更准确地说是胚胎化石。“从那个时候开始,我们研究人员一直在纠结一件事。”同为研究小组成员的袁训来研究员告诉记者,纠结的事情就是找到了“鸡蛋”,但却没有找到“鸡”,这些胚胎化石的祖先到底是什么样的?“我们当时发现瓮安胚胎化石是搬移过来的,而瓮安这个地方当时水比较浅。我们判断寻找方向应在水多的地方。根据地理条件,我们将选择目标定在了安徽休宁县蓝田镇。”

  研究化石,是别人眼中艰苦枯燥的工作,我校地科学院教授陈雷却甘之如饴。他的科研成果曾经引起全球古生物学界的轰动,为寻找地球上动物的“祖先”,他长时期的和石头打交道,探寻动物和多细胞生命起源以及早期演化的证据。

泰山学术论坛开幕

从“年龄”上来看,它们出现在寒武纪大爆发之前。“寒武纪大爆发之前出现的化石很难找,因为它们的个体很小,需要我们一层一层地找,稍不注意,有价值的化石就会被错过。”就是这样,袁训来和同事们在蓝田镇光找化石就花了四个多月的时间,寻找的结果让他们大为意外。

  2019年,陈雷入选山东省泰山学者青年专家计划,成为泰山青年学者。他到底在做着怎样的研究,怎么在石头中寻找远古生命演化的轨迹,近期记者对其进行了专访。

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蓝田生物群长得奇形怪状

发现石头中的秘密

高建广致辞

此前,古生物学界一直认为,距今约5.79—5.4亿年的“埃迪卡拉生物群”是最古老的高等生物。该生物群于1947年在澳大利亚中南部Ediacara地区的庞德砂岩层中首先发现。此后一段时间,在全球多个地区都有发现。专家由此推断,在“埃迪卡拉生物群”出现之前的海洋环境,是无氧的、没有生物的。不过遗憾的是,因为发现在砂岩上,所以科学家们找到的只是“埃迪卡拉生物群”的痕迹化石。所以由此得出的认识都只是推断,并没有确实的“证据”。

  有趣,是学生陈涛评价陈雷的最多的一个词。“上陈老师的课,慢慢就会觉得有趣,陈老师在上课时经常让我们想象一下,是否有外星人存在?几百万年后动物会变成什么样?几千几万年后山东科技大学这片土地会变成什么样?”这些问题,让枯燥的古生物课变的有趣起来。

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“但是在蓝田找到这些化石,就是实实在在的证据,将高等生命的祖先年龄提前了近4000万年。”袁训来向记者展示起了“蓝田生物群”的照片。它们“其貌不扬”,大多个体较小,在此次找到的化石里,最大的有15厘米,而最小的甚至只有0.5毫米,大多数都在3—4厘米左右。这与此前个体庞大的“埃迪卡拉生物群”截然不同;从形态上来看,类型也很多。有的是扇状,有的是纺锤状,有的还长了好多“触手”……据了解,此次共发现15个不同形态类型的生物。虽然形态各异,但它们有一个共同之处——下部都有一个固定着装置。“这是用来固定的‘扎根’在海底的。”袁训来说。而至于它们为什么要固着,还要进一步研究。

精美的石头会唱歌。

专家作报告

此次发现的这15个不同类型的生物,到底是地球上现存的哪种生物“祖先”呢?袁训来认为,从外形上来看,与现代腔肠动物或蠕虫类相似,但至于是否就是它们的祖先,研究人员还在继续研究。

  “要知道有意义和有趣,才会全身心地投入到这项工作当中去。”陈雷从事的是多细胞生物起源和早期演化方向的科研工作,聚焦在动物起源的研究,是国际上研究动物起源最顶尖研究团队的主要成员。

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它们生活在50米深静水里

  他告诉记者,读史可以明智,鉴以往可以知未来。“我们从哪里来,要到哪里去”,这个问题只能在古老的岩石中寻找答案,而研究化石是唯一的方式,我们可以去复原在地球长达46亿年漫长的岁月中,环境是怎么变化的、生命是怎么演化的。只有对地球和生命的历史有一定的了解,我们才能更深刻地认识当今世界,他给记者举例说明自己的研究领域,“我们都知道人是由动物是进化来的,那么动物的祖先起源于何时?它们是什么样子的?这些都需要从化石中去寻找。我的研究领域就是聚焦动物起源问题。”

博士生在青年论坛作报告

“我们从这次找到的化石上来看,岩石里面有小颗粒,没有受到力度变化,所以我们认为化石不是在海浪里形成的,没有外来水动力作用,应该是生活在静水环境中。”袁训来说。根据现在海浪情况来看,水深应该在50米以下。“这些生物生存需要氧气,需要光,所以深度应该低于200米。”由此,专家得出结论:“蓝田生物群”应该生活在静水环境,水深在50米至200米之间。

科研成果获得轰动

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“目前我们的研究刚刚起步,今后我们也许还会发现更多形态的化石,也许还会有新的发现会产生。”袁训来说。但是,就如国际早期生命研究专家、加拿大女王大学纳波尼教授的评述:“生物此刻已然变大”。“蓝田生物群”突破了生物由单细胞向多细胞过渡的“瓶颈”。正是有了它们,才有了接下来的寒武纪大爆发,才有了后来的器官的分化以及各种功能和形态的出现,才有了现在这样多样的世界。(陈孝政
朱姝)

  纸上读来终觉浅,绝知此事要躬行。深刻地意识到所从事工作的价值和意义,陈雷将自己的事业当成是一种使命,工作起来格外热情洋溢,尽管实际研究中需投入大量艰辛的努力。

合影

  陈雷的博士生导师袁训来曾回忆过,陈雷在读博期间,很想把距今约6亿年的瓮
安生物群中的胚胎化石当作自己的研究方向,但是他一开始并不建议陈雷这样做。因为袁训来长期从事瓮
安生物群的研究,该生物群就是他命名的,他很清楚这一研究课题具有极大的挑战性。十年来,国内外有多个研究团队,包括哈佛大学和北京大学、中科院南京地质古生物研究所在内的众多优秀科学家都在进行胚胎化石的研究,在英国《自然》和美国《科学》两本刊上就有6篇有关瓮
安胚胎化石研究的论文。因此,要在该研究上有所创新和突破难度非常之大。

  尽管如此,陈雷感兴趣的研究仍然获得了导师的鼓励和支持。但是要挑战一个研究程度已经很深入,并存在很多争议的研究方向,谁都没有把握。袁训来后来对他提出三条建议,其中包括用古生物学最为传统的磨片法进行研究,要比其他人有更大的工作量,磨制比以前总共数量都要多的岩石切片。陈雷没有退缩,而是投入更多心血,认真刻苦的开始研究。

  在观察一千多个岩石薄片后,陈雷发现了奥秘。

  多年以前,中国瓮
安生物群走进了全球古生物学研究的视野。“寒武纪动物的祖先是什么样子的?它们又是如何演化的?瓮
安生物群就是找寻动物祖先的关键化石窗口。”陈雷告诉记者,瓮
安生物群化石精美,但由于这些化石结构简单,有关它们的血缘归属问题仍迟迟未能解开。这些胚胎化石到底是动物呢,还是团藻,还是动物胚胎?这些史前来客的身份一直神秘莫测。

  陈雷发现胚胎化石基本形态尽管与以前报道的胚胎化石极为类似,但其中有40多个胚胎化石内部具有细胞分化为繁殖细胞和营养细胞,以及细胞凋亡的特征,充分表明这些“胚胎化石”属于多细胞复杂生物。从而可以做出推断:这些胚胎状球形化石可以确切地归入有细胞分化的复杂多细胞真核生物。

  陈雷的发现,把人类对这些约6亿年前的史前来客的认识再向前推进了一步。

  该发现清晰地显示了在6亿年前,多细胞生物体内已经同时具有营养细胞和生殖细胞的分化以及细胞阶段性死亡的现象,这些特征为多细胞生物进行组织分化、器官分化、以及形态多样性出现奠定了生物学基础。

  这一发现取得了轰动。

孜孜不倦醉心科研

  在地科学院基础地质系主任毛光周的眼中,陈雷给他印象最深刻的是“对化石研究热爱、执着”。

  有一次,毛光周和陈雷一起去野外探勘。他发现“对于有化石保存潜力的地层,陈雷一定会仔细观察,并做好相关记录,对发现的化石标本会精心包裹,以备后期研究”。而在平时和陈雷的接触中,毛光周发现,“陈雷紧跟学术前沿热点,关注最新研究进展。如果想查询有关前寒武纪化石的最新书籍、文章,陈雷一定会给你一些必要的帮助。”

  获知泰山学者评选结果后,毛光周特意发信息恭喜了陈雷。“泰山学者是山东省学术研究者最高的荣誉称号,只有在研究领域取得重大突破性成果或做出突出贡献的学者才能获得此称号。这个称号既是一种奖励也是一种鞭策。”

  但毛光周并没有像外界那样因为陈雷如此年轻就获得这个称号而感到惊讶,毛光周表示:“可能是我比大家更早一点了解到他。付出总是有回报的,泰山青年学者的荣誉可能是目前对陈雷学术和工作最好的评价。”

  除了醉心科研,陈雷也是学生的良师益友。学生陈涛表示,“没有陈老师的启蒙,我不会喜欢上古生物这一行,也不可能带着兴趣做枯燥的化石研究工作。”

  陈涛在大二暑假的时候开始实习,陈雷安排他到莱阳白垩纪国家地质公园实习,并参加为期两周的化石挖掘工作。陈涛回忆,“野外实习是艰苦的,但带着发现远古生命的乐趣做这件事就是有趣的。两周时间不长不短,我们在莱阳采集了上百块昆虫化石,包括莱阳蝽、隐翅幽蚊成虫及幼虫、长肢裂尾甲成虫及幼虫等。实习结束临近开学,陈老师亲自前往莱阳将我们接回学校。”

  带学生、做科研,十余年坚持在化石研究上。一项项科研成果见证了陈雷背后的故事:

  近两年陈雷在山东临沂地区和胶东开展了大量野外工作,联合弗吉尼亚理工学院肖书海教授和中科院南京地质古生物研究所尹磊明研究员等对山东新元古界土门群进行了详细勘探,实测剖面3条。年代地层学方面,采集6层碎屑锆石进行测年,确定了其属于新元古代。生物地层学收获最大,通过系统采样,用酸蚀法对100多个样品进行处理,获得了大量疑源类化石,其中许多类型,尤其是带刺疑源类Trachyhystrichosphaeraju首次在土门群发现。相关文章已被高水平SCI杂志Gondwana
Research接收……

  为了激发学生兴趣,还成立古生物兴趣小组,组织多次野外实践。与科学院南古所合作者联合培养学生3名,指导三名本科生以第一作者完成5篇SCI论文。指导学生获得李四光优秀学生奖,指导学生参加第十五届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛获山东省特等奖,全国二等奖。陈雷也因此获评了山东科技大学学生科技创新优秀指导老师,以及挑战杯山东省优秀指导老师称号。

梅花香自苦寒来。就像陈雷的同事毛光周述说的那样,“喜欢才会有兴趣,孜孜不倦才会有结果,陈雷获得泰山学者荣誉称号一定会在学术研究上对年轻的教师起到促进作用。我们也希望更多的陈雷们在学术研究上取得更加突出的成果!”

     

附报导连接:

《山东科大报》2019年第16期:

网易新闻:

鲁网:http://qingdao.sdnews.com.cn/jy/201906/t20190613_2568286.htm

大众网:http://qingdao.dzwww.com/jiaoyu/jiaoyuzixun/201906/t20190613_16950134.htm