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從化石中解碼生命的奧秘(說道·把自然講給你聽)
2021-10-21 14:25:20   來源:化石網   評論:0 點擊:

圖為殷宗軍(右)在科研中。資料圖片(化石網整理)據人民日報(作者:殷宗軍):古生物學研究的領域寬廣而深邃,我和團隊成員的工作就是解碼地質記錄中化石留下的線索,一點一點、一塊一塊地完成寒武紀大爆發整


圖為殷宗軍(右)在科研中。資料圖片

(化石網整理)據人民日報(作者:殷宗軍):古生物學研究的領域寬廣而深邃,我和團隊成員的工作就是解碼地質記錄中化石留下的線索,一點一點、一塊一塊地完成寒武紀大爆發整個過程的拼圖。
 
古生物這門科學,聽起來似乎有些枯燥?赡苡腥藭纳x將其等同于考古,也可能有人會想到科幻電影中的恐龍等史前生物。但實際上,古生物學不僅離我們的生活很近,而且比很多人想象的更有趣味。
 
我是一名古生物學研究者。我的角色既不是機械地收集石頭的“化石獵人”,也不專門研究恐龍等史前生物。我專注的領域是地球早期生命的起源和演化,其中最主要的研究方向是動物起源和寒武紀大爆發。
 
地球上幾乎所有動物門類的祖先代表,都生活在距今5.6億年到5.2億年之間。這段時間在地質歷史上屬于前寒武紀末期到寒武紀早期。盡管這4000萬年聽起來很漫長,但其實只占地球歷史的不到1%。這不到1%的時間里,卻產生了幾乎所有的動物門類。這個特殊的生命演化事件,被稱為寒武紀大爆發。
 
我們團隊的工作就是解碼地質記錄中化石留下的線索,一點一點、一塊一塊地完成寒武紀大爆發整個過程的拼圖。我日常工作的一部分,就是從成噸沙石樣品中篩選微體化石標本,再用不同類型顯微鏡“拆盲盒”。2015年,我們從貴州甕安生物群化石中“拆”出一個6億年前的海綿化石,將動物起源時間向前推進了6000萬年。
 
地球在宇宙中是獨一無二的嗎?生命為什么能在這顆星球上誕生?為了揭開更多未解之謎,最近我和同事將注意力投向了比寒武紀更久遠的過去,一直回溯到30億年甚至40億年前。我們試圖通過研究地球早期生命的化石記錄,去追尋地球上最早的微生物留下的蛛絲馬跡。我們通過各種高新技術手段,不僅能在微米甚至是納米尺度上看清這些古老生物的模樣,還能推演出它們生存的環境。
 
平時,我也很喜歡向大家科普這些知識。前些年,我和一些研究者用高分辨CT技術,研究了6億年前甕安生物群中的一類奇特化石——籠脊球。這類化石記錄了動物胚胎發育機制起源的證據,我們通過分析233顆標本的三維結構,還原了其個體發育過程,發現現代動物胚胎發育過程中采用的細胞遷移機制在籠脊球中已經出現了。
 
古生物學研究的領域寬廣而深邃,豐富而有趣。它是一門不可或缺且大有用途的基礎學科。你想一起來挑戰嗎?
 
(作者為中國科學院南京地質古生物研究所研究員,本報記者姚雪青采訪整理)《人民日報》( 2021年10月20日第14版)
 
相關報道:殷宗軍:越冷門,越堅持
 
(化石網整理)據人民日報(姚雪青):“做古生物研究,特別要坐得住冷板凳。”中科院南京地質古生物研究所研究員殷宗軍說。十多年來,他始終專注于這個冷門學科,希望揭開化石背后隱藏的動物演化歷史。這份堅持源于熱愛,也來自于科研的進展、院所的支持。
 
一個個直徑1毫米左右的微小化石,被小心翼翼地從巖石中分離出來后,放到顯微鏡下,使用超高分辨率X射線顯微斷層成像技術進行三維掃描,化石的立體結構就在顯示儀上得以重構。在此基礎上進行分析,就可以揭開化石背后隱藏的動物演化歷史。
 
這是中科院南京地質古生物研究所研究員殷宗軍每天的工作。這位35歲青年科學家領導的研究團隊,采用最新三維無損成像技術,掃描了300多個旋孔蟲化石標本,顯示旋孔蟲的內部存在細胞分裂現象——這種發育方式,與動物胚胎早期發育非常類似。“6億年前的甕安旋孔蟲,是現代動物的遠古近親。”近期,他在《科學》雜志子刊《科學進展》發表的一篇論文中,給出了這樣的結論。
 
“這是我對‘達爾文之困’的一個初步回答。”殷宗軍說。個頭不高、思維活躍、語速極快,衛衣上印著“自律給我自由”,像極了他一貫的行事風格。十多年來,這項研究和他的夢想,從未停止。
 
熱愛,執著于動物起源之謎
 
2006年,中國地質大學(武漢)大三學生殷宗軍放棄本校的研究生保送資格,選擇了考研——向中科院南京地質古生物研究所這個全國古生物研究高地發起沖擊。
 
為什么有這樣大的決心?這和他為自己定下的研究道路有關。殷宗軍從小生長在大別山區,姐姐送給他一套《小學生自然百科》,“這套書共6本,我最喜歡《地學》和《動物》,一個講了地球上的巖石礦物、名山大川,一個從遠古動物講到人類誕生。我愛不釋手,書很快就翻爛了。”殷宗軍說。
 
地學與動物學交叉,不就是古生物學嗎?許多年后回頭看,他意識到,科學的種子在那時就已悄悄種在了心間。
 
考大學時,殷宗軍填報了地質學專業。師兄師姐說,地質學這個專業的本科畢業生最吃香、有“錢途”,反而是往上讀古生物學的碩士、博士,越來越冷門。但殷宗軍卻早早決定要讀研。他在課堂上了解到,達爾文曾提到一個挑戰進化論的難題:絕大多數現代高等動物的祖先,在5.41億到5.18億年前的寒武紀早期,以大爆發的形式突然出現在地層中,這一現象后世稱之為“寒武紀生命大爆發”;而寒武紀之前地球的漫長歷史中,卻缺乏與動物相關的化石記錄。
 
對此,達爾文的解釋是化石記錄保存的不完整性,寒武紀之前的動物可能沒有留下化石記錄。這個解釋在此后100多年里引起了很大爭議,被稱為“達爾文之困”。“100多年過去了,‘達爾文之困’怎么還是個謎?”殷宗軍給自己定下的目標就是,當科學家,探究知識的邊界。
 
鉆研,探究微小化石里的生物密碼
 
帶著追問,殷宗軍來到南古所進行畢業設計。他選擇的目標是甕安生物群。
 
甕安生物群,主產于貴州甕安北斗山含磷地層,以磷酸鹽化方式保存著6億年前的化石,誕生于寒武紀大爆發以前。因此,這座可能保存了全世界最古老動物的化石庫,被學界視為“動物世界的黎明”。
 
“2006年夏天,我從北斗山采了幾百斤石頭,打包發往南京,大海撈針一樣尋找化石。”殷宗軍記憶中,那個夏天非常炎熱,他先用化學方法將幾百斤石頭融化,再在殘渣中一點一點尋找化石,用顯微鏡觀察。因為怕石頭殘渣被風吹散,也不敢開電扇。
 
終于,殷宗軍找到了大量從未見過的化石。其中有一種化石十分特別,直徑只有不到1毫米、外形很像現代動物胚胎、表面上長著螺旋狀線圈,這就是后來被稱為“甕安旋孔蟲”的化石。
 
通過顯微鏡和掃描電鏡,觀察分析新發現化石的形態學結構,對完成畢業論文來說就足夠了。但神秘化石內部是什么結構?它們究竟是動物、植物,還是藻類?這些還需要深入研究。
 
“我想從事感興趣的研究,只有一條路走到底。”殷宗軍說。碩士二年級時,他接受遴選并獲得了直接攻讀博士學位的機會。
 
這些化石標本非常微小,當時最薄的刀片都比它們厚。想要重現內部結構,就要采用醫院里CT掃描儀那樣的專業設備。當時,歐洲擁有世界上最先進的同步輻射加速器,能掃描微米級別的物體內部結構。讀博階段,殷宗軍申請到法國留學,帶著幾千枚樣本,去探究小小化石中的生物密碼。
 
但即便有了設備,“做CT”也不是易事。這種大型科學裝置并非為掃描微體化石量身定制,因此用來給微體化石“做CT”時,掃描方法和諸多參數都要反復摸索和調整。例如光源設定,太弱了信號穿不透,太強了則易過曝。
 
“學習了幾個月,才掌握掃描技術。遺憾的是,甕安旋孔蟲化石有很厚的囊包,內部結構大多已經腐爛,所有樣本都沒有掃描到內部結構,也就無從了解它究竟是什么。”好在留學期間殷宗軍還有其他收獲:通過掃描帶來的其他樣本,發現了最早的海綿動物、最早的胚胎化石……
 
這些研究,離回答“達爾文之困”還有一段距離。“我們不能每次都千里迢迢跑到歐洲,用別人的機器去掃描化石。”殷宗軍開始思考,要有先進技術,讓自己的團隊來給化石“做CT”。
 
創新,讓前沿技術助力古老學科
 
把先進的同步輻射加速器“搬”回來,并不現實。沒別的路,只能依靠創新。
 
在南古所支持下,2012年博士畢業留所后,殷宗軍著手建立化石顯微CT實驗室,并于2015年建成。走進這個實驗室,儀器設備一應俱全:硬件上,有“CT機”、顯微鏡、圖形工作站、數位屏;軟件上,有各類專業的圖像數據處理和三維可視化工具。它不僅用于甕安生物群化石的研究,也支撐了琥珀中昆蟲多樣性、森林的起源等古生物學其他課題的研究。
 
“這個實驗室有原始創新,也有集成創新。”殷宗軍介紹,正在申請專利的多樣本掃描技術就是一項自主創新。“人工將樣本逐個放到樣品臺上掃描,費時耗力,如果能實現自動化不間斷掃描,就可以幫助科研人員騰出手,大幅提高設備利用效率。”殷宗軍說,前沿信息技術與這門古老學科可以碰撞出火花。他通過軟件設定參數和程序,讓樣品臺不僅“知道”每個樣本的掃描時間和方式,還可以“找到”排著隊的下一個樣本,并且將它“請上臺”。
 
去年6月,甕安旋孔蟲化石研究有了突破性進展,經過對化石內部結構和生物學信息的分析,證實了它們是單細胞生命,屬于動物的“姐妹類群”,據此可以了解動物共同祖先的生物學信息,這對理解第一個動物究竟從何而來,提供了重要化石信息。
 
“做古生物研究,特別要坐得住冷板凳。我之所以能堅持下來,除了自身的熱愛,也在于院所的無條件支持,以及研究過程中的一項項進展,讓年輕科學家在起步階段就可以大展拳腳,品嘗到成功的喜悅。”殷宗軍說,動物演化的真相正在逐漸顯現,“達爾文之困”終有一天會徹底解開。
 
(原載于《人民日報》2021-01-13 12版)

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