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一天发4篇《自然》!重建志留纪早期“水族馆”

收藏 打印 发给朋友 来源: 化石网 网站编辑:化石猎人
热度78票 浏览26次 时间:2022年9月30日 10:39
Nature封面为最新发现的5种志留纪古鱼新属种的三维艺术复原,从上到下分别为蠕纹沈氏棘鱼、新塑梵净山鱼、双列黔齿鱼、灵动土家鱼和奇迹秀山鱼。

Nature封面为最新发现的5种志留纪古鱼新属种的三维艺术复原,从上到下分别为蠕纹沈氏棘鱼、新塑梵净山鱼、双列黔齿鱼、灵动土家鱼和奇迹秀山鱼。

(化石网)据中国科学报(胡珉琦):Nature封面为最新发现的5种志留纪古鱼新属种的三维艺术复原,从上到下分别为蠕纹沈氏棘鱼、新塑梵净山鱼、双列黔齿鱼、灵动土家鱼和奇迹秀山鱼。

9月28日晚11点,《自然》杂志在同一期发表了同一团队的四篇论文,29日又以封面文章同期发表,它们皆出自中国科学院院士、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所(以下简称古脊椎所)研究员朱敏团队。

“一键四连”的操作,惊叹了整个古生物学界。

国际古脊椎动物学会前主席、澳大利亚弗林德斯大学教授John Long撰文称:它们改写了有颌脊椎动物早期演化历史的几乎所有方面。

朱敏对这些说法有些惶恐。他更喜欢同行羡慕地对他说:“你们重建了志留纪早期的一个‘水族馆’。”

“水族馆”里有什么?当研究团队在第一篇论文中试图回答这个问题时,曾接连遭遇了《自然》《科学》审稿人的三轮毙稿。

非凡的结论,要有非凡的证据。朱敏团队为了寻找演化的证据究竟付出了什么? 

寻找“幽灵支系”

过去十余年,朱敏一直在跟一群“幽灵”一样的化石死磕。

奥陶纪末(约4.44亿年前),地球历史上发生了第一次大规模生物集群灭绝事件,85%的物种都消失了。可它却为鱼类进化过程中的一场大革命搭好了舞台,那就是有颌类的崛起。

现今地球上有99.8%的脊椎动物都是有颌类,没有颌,就没有喋喋不休的人类。可见,颌的出现是生命演化史上一次重要的飞跃。

“有颌类之所以能一统天下,是因为它不仅提高了脊椎动物主动摄食的能力,还促进了呼吸和运动能力,使体型能迅速增大,这样,它就能够占领更为广阔的生态位,直至登上陆地,甚至飞上蓝天。”古脊椎所副研究员朱幼安说,脊椎动物整个演化潜力都因此得到了极大的提高。

那么,如此重要的演化事件是怎么发生的?

分子生物学家早就通过对现生的有颌脊椎动物进行分子钟研究,推算出它们的共同祖先诞生于志留纪之前的奥陶纪晚期(约4.5亿年前),因此,最原始的有颌类不会晚于这个时间。但全世界的古生物学家找遍了志留纪地层,发现原始有颌类化石非常少,在志留纪早期,有颌类甚至可说是无影无踪。

明知它们存在,却怎么也找不到,志留纪早期的有颌类就这样成为了古生物学领域的“幽灵支系”。找到它们,就是各国古生物学家们苦苦寻求的“圣杯”。

于是,朱敏带领团队踏遍了中国志留纪地层可能含鱼化石的两百多个地点。直到2019年,他们终于在贵州、湖南、重庆等地相继发现了贵州石阡化石库和重庆特异埋藏化石库(距今约4.39亿至4.36亿年),志留纪早期有颌鱼类的“摇篮”和 “史前水族馆”得以重见天日。

那里有最古老的有颌类牙齿——黔齿鱼的齿旋,它们把有颌类牙齿的最早化石证据向前推进了1400万年;名为“奇迹秀山鱼”的盾皮鱼类,它的多种骨骼特征,为有颌脊椎动物头骨的演化提供了直接证据;名为“蠕纹沈氏棘鱼”的软骨鱼,显示了鲨鱼“披盔戴甲”的祖先;名为“新塑梵净山鱼”的棘刺鲨鱼,解决了志留纪早期鱼类鳞片和棘刺化石的分类争议;还有同时期的一种盔甲鱼,它虽是无颌类,但研究人员第一次在鱼类身上发现了成对的连续鳍褶,代表了偶鳍或人类四肢的雏形……

古脊椎所研究员盖志琨认为,“这些化石的发现和研究,为解决许多悬而未决的争议问题,为重建有颌脊椎动物的早期演化历史,提供了非常重要的证据”。

“僵持不前”是一种常态

要“复原”一个志留纪早期的“水族馆”,研究团队到底采集了多少化石,准确说是包裹着化石的岩石?

它的单位是以吨计的。仅2019年一年,团队在贵州石阡坉坪剖面就挖出了好几卡车的岩石,重达4吨,运到了曲靖师范学院自然历史文化中心的实验室。

接来的一年半时间里,三名全职科研助理再加两名机动队员,在一间30平米的酸处理实验室,不间断地展开工作。

他们先要把4吨岩石分批泡进密密麻麻排列着的醋水池里,几天后,用清水冲洗,再降低浓度进行二次浸泡,直到岩石里的胶结物被彻底腐蚀掉,剩下一堆砂子。

这样反复筛洗,最终得到了300公斤可能夹杂着化石的砂样。

如果说,这个流程只是一项并不费脑的重复劳动,那么接下来的环节,绝对是一个“良心活儿”。

因为研究人员要把这些砂样分成一小撮一小撮,逐一放到显微镜下,去寻找微体化石的蛛丝马迹。他们最终找到的23颗黔齿鱼齿旋,平均长度只有2.5毫米,稍不留意,就会错过。

这场“沙里淘金”的历练中,人的耐心和信念感,很容易随着被筛的砂样一并带走。

在无数个一无所获的夜里,年轻的科研工作者恨不得从疲惫的大脑中,拎出之前对古生物学的所有浪漫想象,一顿“拳打脚踢”。

“所以,做这份工作一定要有强烈的好奇心。你就想知道砂子里有什么?它们到底有多重要?你才不会轻易放过它们。”朱幼安说道。

这样的情绪折磨,朱敏体验过太多次了。

从2008年开始,他就带着团队对中国志留纪自下而上发育出的三套浅海红层进行了地毯式搜索,分别是下红层、上红层和罗德洛统红层。这些地层遍布安徽、浙江、江苏、湖北、湖南、贵州、重庆、四川、新疆等地。

老一辈古生物学家、地质学家从上世纪60年代起,就在这些地层中挖出过有颌类的微体化石,比如棘刺、鳞片。其中也包括贵州石阡和重庆秀山。可即使有了这些明确的线索,寻找化石的过程依然同大海捞针一样艰难。

整整十年,研究团队发现的化石虽然从多样性上有所增加,但无论是化石的年代还是完整性,都没有质的突破。

“越往后,能分析出一些化石的层位里,岩石样本也越来越少,真的很困扰我们。”朱敏坦承,“僵持不前”才是古生物学家野外工作的常态。

2019年春节一过,朱敏又一次带着团队跑到广西野外,他仍不死心,决定再绕回贵州石阡。

“结果刚到了原来的老剖面,我一下就看到旁边新开了一条公路,它就这么直直地横穿了一套志留纪的地层。”不管回忆多少遍,朱敏的眼里都闪着光。

这条公路,仿佛是一条时光隧道,终于撕开了遮盖志留纪早期有颌类演化历史的屏障。

朱敏派出赵文金研究员带队,用了小半年时间,在这个新发现的坉坪坡面逐层采样,直到他们找到了过去从未发现过的化石富集层。

重庆特异埋藏动物群的发现有着相似的故事。

从2019年9月到2020年10月,朱敏团队凭借地图软件上发现的一条新路,摸到了一个重要的化石线索,于是一鼓作气,连续三次在秀山川河盖地区开展了大规模挖掘工作,才揭开了这个崭新化石群的样貌。

寻找化石其实并没有“运气”一说,有的只是在正确的科学目标和前人给出的地质线索中,坚持长期主义。

手把手带出一支“地方军”

2020年10月12日那天,博士后李强第一次和重庆特异埋藏动物群打了个“照面”,兴奋之余,他长长地松了一口气。因为很长时间找不到让人眼前一亮的化石,他特别担心导师会对自己失望。

李强在朱敏的博士后中有些特殊。他目前是曲靖师范学院的副教授,加入朱敏团队后,又被导师安排到重庆地质矿产研究院联合培养,正是负责重庆野外科考的主力。

在这四篇论文中,李强的名字多次出现,有的还是论文一作。和他一样,在一系列长长的作者名单里,有好几位成员都来自西南地区这所名不见经传的地方学院——曲靖师范学院。这些年轻人正是朱敏课题组花了4年时间,手把手带出来的“地方军”。

云南曲靖是朱敏的“第二故乡”。早在100年前,中国地质学奠基人丁文江就在那里开始地质调查工作。上世纪80年代,朱敏的导师、中科院院士张弥曼也是在曲靖进行化石发掘,朱敏延续了张老师的研究工作,从不曾间断。

“曲靖是全世界古鱼类学家心中的‘朝圣之地’。”朱敏这样形容。因为那里保存了一套从志留纪到泥盆纪的完整地层,有关肉鳍鱼类,即后来登陆的鱼的早期演化重要发现都来自那里。

如果说泥盆纪是“鱼类的时代”,那么曲靖就是鱼类时代的“王国”,如今,朱敏正是它的守门人。

2018年5月,古脊椎所与曲靖师范学院合作共建曲靖师院自然历史文化研究中心,立足于曲靖这片土地上的古鱼化石研究,培养一支当地的青年人才队伍,帮助地方高校提升科研能力,也促进当地的古生物资源保护。

在古生物领域,以人类演化时间为中心,越久远的便越少人关注,也越冷清。作为研究所里的“低等室”,朱敏课题组的规模很有限,正式科研人员只有5名,学生也不多。

“那么丰富的化石资源并不属于某一个研究团队,光靠我们几个人,一辈子也做不完。”因此,朱敏也希望通过培养当地的青年学者来壮大古脊椎所的研究队伍。这也符合他一贯的理念:英雄不问出处。

在朱敏的引荐下,专攻微体化石的英国伯明翰大学安爵辅(P. Andreev)博士正式加入曲靖师范学院,这是学院引进的第一位专职外籍研究人员。他也是此次黔齿鱼齿旋和梵净山鱼研究两篇Nature论文的第一作者。

惜才的朱敏,还陆续推荐了古脊椎所的多位博士到学院任教,其中一位还是原本打算放弃本专业转考公务员的学生。

过去几年,朱敏经常派出课题组成员赵文金、盖志琨、卢静、朱幼安,为学院师生们上课、培训。

他还专门给学生们建了一个数据库,里面收藏了4万余篇文献。学生们的每一篇论文,他都会精确到每一个文字、每一个标点、每一篇参考文献进行修改。李强回忆说,自己读博士后的第一篇文章,朱敏整整改了65稿。

朱幼安还记得,中心建立之初,他第一次推开朱敏办公室的门,发现导师抱着一个笔记本,就窝在一把椅子上敲字,其余什么办公工具都没有,这样一坐就是一天,朱敏却毫不在意。

今年是朱敏受聘中心主任的第五年,但他一分钱工资也没领过。朱敏希望,通过张弥曼院士和自己的力量,聚集起更多青年科研人员和平台的力量,去推动一所地方学校的特色科研事业。

朱敏告诉《中国科学报》,目前他已开始在重庆地研院培养一支野外地质调查与研究队伍,这对接下来重庆特异埋藏化石库的持续发掘、保护与利用至关重要。

来自审稿人的强力“狙击”

发现过程难,发表过程同样不易。

2022年7月 ,朱敏团队的第四篇论文距离第一轮投稿已经过去快10个月了。

朱幼安终于收到了来自审稿人的第四轮意见信,上面只有一行字:The revision is completed。

他的神经几乎紧绷到了最后一刻,这是有缘由的。

研究团队在这篇论文里详细描述了迄今所知最早的保存完好的软骨鱼——沈氏棘鱼,从而确证了困扰古生物学界很多年的鲨鱼祖先问题,同时,分析了奇迹秀山鱼的多种特征,为现生有颌脊椎动物的头骨演化提供了重要资料。

“我们想象中,接下来的剧本应该是这样的:我们发现分析了这么重要的化石标本,编辑应该对此‘五体投地’,审稿人对此“佩服之至”,最后催促我们赶紧发表。”朱幼安边笑边自嘲。

可在现实中,这篇论文从一开始就遭到了审稿人的强力“狙击”。

“论文正文只有4000字,但第一轮审稿意见我们就写了8000字的回复,第二轮4000字,第三轮稍有不慎,只写了2000字,于是,直接被推入第四轮。”朱幼安告诉《中国科学报》。

“其实所有的审稿意见几乎都围绕在比较解剖学中一些很细小的问题。”他解释说,比如秀山鱼头顶有一个从没在其他盾皮鱼里见过的关节,它与文章解释的头与颈部运动以及头骨演化有关,但审稿人说什么都看不清这一结构。

好在,研究团队有备而来。

早在研究过程中,课题组就引入了一种全新的拍照技术——全光位拍摄。这种技术原本是法医用来做笔迹鉴定的。计算机软件会合成一个可以随意运动的虚拟光源,从40多个不同角度对物体表面打光、拍摄,并生成物体表面细微纹理的三维模型。

“用在古生物成像领域,它可以全方位地呈现一个化石细微部位的三维结构,避免人为打光的主观成分,避免给出一个作者内心想要呈现的化石样貌。”

于是,朱幼安又花了一个月时间,重新拍摄整理了这组全光位照片,打包发给了审稿人,这个问题才算过关。

最让研究团队意想不到的是,审稿人罕见地抠起了文章的亲缘关系分析。通常,审稿人不会详细检查亲缘关系分析所用的矩阵中的上万个编码,而且对大的矩阵进行分析需要使用超算平台进行大规模的运算。

在这篇论文里,向来重视数学分析的朱敏要求团队对300多个属种、近700个特征的矩阵进行贝叶斯分析,从而确保据此提出的亲缘关系理论和系统发育框架是可信的。

“一旦有审稿人对此提出任何质疑,一次大规模的分析就要在服务器上最少跑上10天。这也意味着,在此期间,研究所其他课题组的超算工作必须全部让位。”尽管如此,朱幼安还是做到了有问必应。

事实上,这并不是这组稿件中唯一一篇历经“磨难”的论文。

朱敏团队的第一篇文章就曾因为一些细枝末节的争议问题,接连遭遇《自然》《科学》审稿人的三轮毙稿。由于同一主题其他文章的出现,编辑部意识到这一系列化石研究的重要价值,才把这篇论文又重新“捞”了回来。

“审稿人的研究风格、审美喜好是不可预料的,你总会遇到一些喜欢严厉‘鞭打’你的人。但结果取决于我们是否足够细致,我们给出的证据是否能经受住任何考验。如果我们能认认真真回答审稿人给出的哪怕是很苛刻的问题,那么文章发表以后的几十年,甚至上百年,我们的结论都是立得住的,是可靠的。”

朱敏总是这样劝慰自己的学生,“几亿年前的化石都找到了,这点审稿时间更要沉得住气”。

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