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破解生物进化谜团 还原“清江生物群”发掘过程

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破解生物进化谜团的化石宝库?

3月22日凌晨(北京时间),国际权威学术期刊《科学》(Science)发表了西北大学早期生命与环境创新研究团队张兴亮、傅东静等人的最新研究成果《华南早寒武世布尔吉斯页岩型化石库——清江生物群》。至此,地处中国宜昌长阳地区,距今5.18亿年的寒武纪特异埋藏软躯体化石库——“清江生物群”,首次向世界摘下它神秘的面纱,成为进化古生物学界又一突破性发现。

从发现化石到刊载成果,时间已经转过了近12年。2007年盛夏的一个傍晚,空气炎热而闷湿,在湖北宜昌长阳地区带队踏勘的西北大学地质学系教授张兴亮用地质锤,从河床上的石头里敲出了半根拇指长的林乔利虫化石——这是在一种布尔吉斯页岩化石库中的表征性节肢动物。那时,野外踏勘队成员、25岁的博士新生傅东静见证了那一幕。

日前,记者采访了论文第一作者、西北大学地质学系副教授傅东静,试图还原“清江生物群”发掘的前前后后。

探寻达尔文之惑

在探寻生物演化的过程中,“寒武纪大爆发”被称为进化生物学的一大悬案:大约5.4亿年以前,在不到地球演化史1%的时间里,迅速产生了90%以上的动物门类,这成为达尔文在1859年创立以渐变论为基调的生物进化论时面临的第一难题。

“要破解寒武纪大爆发的奥秘,除了基于理论的科学猜想,还要发现恰当的科学观察窗口——化石库。”在西北大学早期生命与环境重点实验室里,记者见到了这位80后女生物学家傅东静。

百余年间,科学家在全球各地发现了50余个化石库,但“理想的顶级研究目的地”寥寥:20世纪初至70年代,加拿大寒武纪中期布尔吉斯页岩化石库中软躯体化石生物群的发现和研究,在古生物学和进化生物学中长期独领风骚;80年代以来,我国云南寒武纪早期澄江生物群研究成果超越前者,其动物界的三个亚界的早期框架构成更为完整、化石保存更为精美,成为我国唯一化石地世界自然遗产。

在学界,化石保存质量和化石物种多样性一直是衡量化石库等级的硬门槛。傅东静介绍,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。

“更重要的是,‘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,这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。”傅东静补充道。

国际著名古生物学家、瑞士洛桑大学教授Allison C.Daley,在《科学》杂志发表评论文章,称“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人类对于寒武纪大爆发的认知空白并解决动物门类起源演化等方面的一系列科学问题。”

“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库。”傅东静说。

用12年寻找化石的故事

很少有人知道,从最初发现的那半只林乔利虫化石,到震惊古生物学界的化石宝库现世,西北大学早期生物研究团队用了足足12年。

“起初虽然我们找到了林乔利虫,但谁也无法判断这个化石库的价值究竟有多大。”傅东静说。

化石库的价值只能由化石标本来证实。在发现化石标本的丹江河里,工人用撬杠撬出来1立方米大小的石头,踏勘队员就用地质锤顺着页岩的层面劈,一边劈一边看,把找到虫子的化石标本整理、编号、打包,最后背出山。

在实验室里,每一块标本要在体式显微镜下进行前期修复;使用扫描电镜揭示化石的超微结构以及元素组成;再用MicroCT进行高精度三维立体扫描……12年间,劈石头、啃干饼的科研生活早已成家常便饭,张兴亮、傅东静和团队里历届硕士博士生最终在5亿年前的化石标本里,找出了20000多只“虫子”。

随着获取的标本数量日益增加,化石库的学术价值逐渐彰显。2014年,学术团队最终决定把研究重心彻底对准“清江生物群”。

“我们采集的每块化石都有故事,每个故事我们都烂熟于心。”傅东静说。

中国的“两江生物群”

如今,地球上的动物界共分为38个门,在寒武纪生命大爆发时期的化石中,已发现20个现生动物门类和6个已灭绝动物门类,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。傅东静相信,同处于寒武纪动物门类爆发极盛时期的“清江生物群”,随着大规模发掘,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。

“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,二者的研究有很强的互补性。”傅东静说。关于为何将新发现的化石库命名为“清江生物群”,傅东静这样解释,化石埋藏地是在清江与丹江河的交汇处,“这样命名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。”

早在此前数十年间,西北大学院士舒德干就将其首次发现的古老生物先后以“华夏鳗”“云南虫”“昆明鱼”等字眼命名。他曾说,中国需要更多的人为科学发现的里程碑来培土。如今,傅东静更加忙碌——除了日常的教学科研,她还要回复解答来自国内外同行的数十份邮件、传真,“基本是关于‘清江生物群’的”,傅东静坚信,未来“清江生物群”能够同澄江生物群一同成为享誉世界的“中国两江生物群”。

“在研究寒武纪大爆发的化石宝库里,有两座高峰永远属于中国。”傅东静说。

(本报记者 张哲浩 马荣瑞)

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