追问生命的起源

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在国际埃迪卡拉系与寒武系科学大会上,张兴亮教授获德国古生物学会特殊贡献奖。


本报记者 张梅 /图

1859年,达尔文完成《物种起源》,首次将自然科学从神学桎梏中解放出来。生物进化的自然选择学说成为19世纪伟大的三大科学发现之一。由于历史的局限,达尔文将重建地球生命演化真实图景这一更为艰巨的任务留给了后人。

一个多世纪以来,几代科学家沿着达尔文的足迹,逐渐解开了生命演化史上的谜团,在追问生命起源的征程中,一步步逼近答案。

8月13日到16日,借着国际埃迪卡拉系与寒武系科学大会的东风,该领域世界知名专家学者齐聚西北大学。埃迪卡拉纪-寒武纪在生命起源的研究中有着怎么样的地位?都取得了哪些重要成果?这些研究对我们今天探讨地球环境变化有何意义?会议间隙,记者采访了相关专家学者。

 

生命早期的谜团 

在生命起源的进程中,埃迪卡拉纪至寒武纪无疑是地球生命演化与环境变化的大转折时期,是国际上多学科领域共同关注的重大基础前沿课题。

大约5.4亿年以前,在地质年代上恰恰是寒武纪的开始,绝大多数现生动物门类在2000多万年时间内突然出现,在不到地球生命发展史1%的瞬间,创生了90%以上的动物门类,奠定了动物类型多样性的基本框架,形成蔚为壮观的寒武纪生命大爆发。这一现象让达尔文困惑不已,被认为是进化生物学的一大悬案。

一个多世纪以来,古生物学、分子生物学、地球化学等全球多学科领域的科学家逐渐证明了即便是寒武纪生命大爆发的短短数千万年,生命依然是进化而来。其中,西北大学早期生命研究团队在这一重大前沿领域的系列性科学发现,为全面、准确揭示寒武纪生命大爆发的图景提供了决定性证据。

从寒武纪追溯向前,便是埃迪卡拉纪。埃迪卡拉纪以南澳大利亚的埃迪卡拉山而得名,是距今6.35亿年前至5.42亿年前寒武纪到来之前的一个时期。“埃迪卡拉生物群出现于地球‘雪球事件’之后和寒武纪生命大爆发之前这一特殊阶段。由于长期以来没有宏体化石发现,前寒武纪也被称为隐生宙。”西北大学地质系主任、团队骨干华洪介绍,以前研究者认为这个阶段没有太多生物。但是,随着这一阶段古生物化石越来越多地被发现,研究这一阶段的生态环境、生物演变对进一步揭示生命演化的谜团具有重要的意义。“尤其是中国学者,在这方面作出了重要贡献。”华洪说。

在团队早期生命起源的研究中,华洪负责寒武纪之前埃迪卡拉纪“这一段”,深耕陕南地区的高家山生物群多年。他介绍,高家山生物群是我国埃迪卡拉纪“五大生物群”之一。近年来,团队取得了这一地质时期越来越多的新发现,大大提高了对埃迪卡拉纪与寒武纪时期生物与环境演化特征的认识。

“生命的复杂性远远超过以前的想象。尽管如此,想要认清埃迪卡拉纪与寒武纪时期生物与环境演化的完整面貌并最终解决寒武纪生命大爆发这一科学难题,依然任重而道远。”华洪表示。

 

生命早期图景

2017年2月9日的Nature以封面亮点论文形式刊发了团队韩建研究员等人所发现的最古老的人类微型远祖至亲“皱囊动物”,开启了人类探索生命起源的新篇章。

这是西北大学早期生命研究团队在Nature和Science上发表的第13篇论文。这13篇经典论文为我们勾勒出生命早期的图景。

位于我国云南的澄江生物群是保存完整的寒武纪早期古生物化石群,生动地再现了5.3亿年前海洋生命壮丽景观和现生动物的原始特征,为研究地球早期生命起源、演化、生态等理论提供了珍贵证据。1995年之前,世界众多科学家在该生物群中发现了基础动物亚界和原口动物亚界的绝大多数重要动物门类,然而后口动物亚界诸多门类的祖先类群却一直没有露面。

“奇迹”出现在1996年之后。1996年,舒德干和助手们的成果“云南虫被证实是地球上最古老的半索动物”在Nature发表;同年,Nature又发表了舒德干与其他学者合作的“中国发现脊索动物的早期祖先—华夏鳗”,将脊索动物的演化历史向前推进了1000多万年。重大发现一个接着一个:团队陆续在澄江生物群揭示出脊椎动物、头索动物、尾索动物、棘皮动物、古虫动物等后口动物亚界几乎所有门类的原始代表,进而首次构建了完整的早期动物树框架图。基于这些研究,舒德干提出三幕式寒武纪大爆发依次形成三个动物亚界的新假说,为人类探索早期远祖的来龙去脉提供了基础证据。

其中,被誉为“对达尔文进化论的重要发展”“100多年来关于寒武纪大爆发研究中最重大的关键性突破”的研究,是“昆明鱼”和“海口鱼”的发现。这一发现,将脊椎动物的起源向前推进了5000万年。目前,这些鱼作为包括人类在内的所有脊椎动物的始祖,已被收录入中、美、英、德、法、日等国的教科书、百科全书、科学辞典和博物馆,成为地球生命演化历史上的经典和里程碑。

20多年来,团队在寻找人类远祖的征途中,取得了一项项世界瞩目的成果。正如舒德干所言:“我这一生都在学习和践行达尔文理论。求解‘我们从哪里来’的答案。对于这一问题,唯有科学,尤其是进化生物学正在以翔实的可靠证据不断接近真理,逼近历史真实。”

 

向更深层探索

“奇迹”的背后是几代人甘坐冷板凳的坚守。

“野外‘转山’的劳累和危险其实都不及坐冷板凳更可怕。直到有一天,我们不再觉得板凳是冰冷的了,就会发现,离我们所要追求的东西也就不远了。”团队成员“青年长江学者”刘建妮说。

2005年,刘建妮在澄江化石库中发现了一种奇特的生物—“仙掌滇虫”。之后,她又用了几年时间找到其中隐藏的关键生物演化信息,首次初步破解了节肢动物门起源与早期演化这一长期困扰学术界的科学难题。该研究成果于2011年1月24日在Nature杂志以封面文章的形式刊登,在国际学术界引起了轰动。

“我们这个团队在舒老师的带领下,形成了很好的梯队,产生了2名长江学者和1名青年长江学者。每个人都有自己坚守的研究方向和不错的研究成果。”华洪介绍。

1982年出生的傅东静是团队年轻的科研骨干,她已经组织了多次国际性学术交流会议,承担了多项科研项目。目前,以她为第一作者的一篇Science论文正在审稿。“这是一个很有价值的成果,不管最后能不能刊登,能被接受审稿已经是对我最大的鼓励。”傅东静说,“团队给我们搭建了很好的平台,让我们年轻科研人员得以快速成长。舞台大,压力也大,我将继续努力,希望在追问生命起源这一课题中能留下一些有价值的东西。”

中科院院士翟明国用“有信念、有坚持”评价该团队:“有信念,就是有科学理念和问题导向。他们以生命演化为核心,以生物进化链条(生物树)为关键,发现问题和解决问题;有坚持,就是潜心研究,不见异思迁。”

经过数十年如一日的不懈努力,团队已发展成为在国际科学前沿上具有重要影响的“国家创新研究群体”,在古生物学研究领域位居全球第一方阵。他们完成了看似不可能的任务:地方高校不仅能作好基础科学研究,而且还能作出国际一流的成果。

在追问生命起源的道路上,团队沿着达尔文的足迹越走越深入。近年来,团队在前期成果的基础上,开始从生态系统和环境的角度出发,更深入地探讨导致寒武纪生命大爆发的原因。

据介绍,团队申请的国家自然科学基金重大项目“寒武纪大爆发时期生态系统演化”正在进行评审。“这是一个划时代的项目,我们希望从更宏观的角度找出激发寒武纪生命大爆发的引擎,向生命的源头再走近一步。”华洪表示。

原文链接:http://esb.sxdaily.com.cn/sxrb/20180912/html/page_13_content_000.htm#


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