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地球早期生命演化的探索者
更新时间:2021-11-27

2004年2月20日,对于中科院南京地质古生物研究所的研究员陈均远、云南大学的教授侯先光和西北大学的教授舒德干来说是一个终身难忘的日子:站在北京人民大会堂的领奖台上,接过国家领导人颁发的“国家自然科学奖一等奖”的获奖证书,经历了近二十年的研究和探索,这份荣誉随着他们承担的“澄江动物群与寒武纪大爆发”项目走进了亿万电视观众的心中。

获奖后不久,陈均远回到中科院南京地质古生物研究所作学术报告。面对记者的提问,他显得很平静:能够获此殊荣,是国家对他们前期研究工作的肯定和鼓励。他认为科研工作者做研究工作并不只是为了获奖。澄江动物群的研究还刚开始,还有很多工作要做,他们应该把这项研究工作做得更好。

我国科学家是如何发现澄江动物群并进行研究的?他们的研究为何能引起国际学术界的广泛关注,并产生了震撼性的影响?近日,记者采访了中科院南京地质古生物研究所研究员陈均远。在陈均远深沉的回忆中,敲开了探索地球早期生命起源的大门,展现了项目组科学家们的探索之路和他们对科学研究的执著精神。

珍贵化石的发现

科学的突破往往是在必然的长期研究中出现偶然的发现。澄江化石的发现也是在艰辛的野外工作中出现的一个机遇。1984年7月1日,当时在中科院南京地质古生物研究所工作、年仅34岁的侯先光在云南澄江帽天山采集自己专长的金臂虫标本。帽天山的寒武纪地层中产有金臂虫化石是上个世纪40年代就有报道的。侯先光为了进行更系统深入的研究,再次前来进行逐层详细的采集。正是由于他的耐心与细心,使他有机会在前人已做过多次工作的同一套地层中取得了突破性的发现,一种只在加拿大布尔吉斯页岩动物群出现过的古老节肢动物化石纳罗虫在他眼前出现了。这一重大的发现,使得他激动不已。随后他又连续发现了多个不同类型的保存软体附肢的动物化石。这些化石非常丰富,保存了个体极为完整的多细胞生物遗骸,其中包括许多难得一见、带有软躯体构造的化石和大量疑难化石类群。此后,项目组连续多年进行系统发掘。大量化石的发现,使以澄江动物群为依据的寒武纪大爆发研究才有可能。

据介绍,寒武纪是地质史上的一个久远的年代,距今大约是5亿4千多万年前至4亿9千万年前,比恐龙兴盛的侏罗纪还要早3亿多年。化石的发现证明在距今5亿3千多万年前的地球上发生了一次大规模的生命快速演化事件。当时多细胞动物突发性地在海洋中繁衍,而且迅速地发展出形体多样、构造复杂的类群,在我们的地球上从此开始出现纷繁驳色、多彩多姿的生物世界。

澄江动物群研究的开端

为了能够窥视那远古而又陌生的神秘生命世界,必须有许多人努力不懈地研究和再接再励地探讨。

张文堂和侯先光在1985年所发表的文章是关于澄江动物群研究的第一篇论文,也可以说是澄江动物群研究历史上的第一页。凡是重大的科学发现,都必须有深入的研究结果才可能逐渐引起科学界的注意。侯先光和孙卫国紧接着又报道了关于节肢动物、水母状生物和蠕形生物在澄江的发现,开始引起国内古生物学界的重视。1987年,在中国科学院青年基金6万元的支持下,陈均远和侯先光在澄江做了大规模的标本挖掘工作,并获成功。根据这些标本研究的结果,他们在1989年发表了一系列的论文,报道了有关微网虫、高脚杯虫、罗哩山虫、火把虫、节肢动物类和海绵类生物的发现,在科学界造成一大震撼。Nature1991年5月351卷6323期刊登的封面照片——微网虫就是在这次挖掘中发现的。著名的古生物学家、德国的塞拉赫教授在其来信中表示“澄江动物群就像是来自天外的信息……”。

长期以来,寒武纪早期大量出现的离散骨片化石的亲源关系是一直困扰着古生物学家的一个难题。由于微网虫完整化石的发现和研究,为相关难题的解决提供了重要的线索。美国哈佛大学古尔德教授在他的一书中表示,因为微网虫完整化石的发现和研究,使得人类科学研究的历史又向前跨越了一步。

备受世人的瞩目

澄江动物群所代表的时代处于寒武纪大爆发的后期。它对于阐释寒武纪大爆发所引发的生命多样性,发挥了任何其他化石群所无法代替的特殊作用。1991年冬,陈均远等根据多年来有关澄江动物群研究的结果,在美国地理杂志的学术期刊Research and Expkoration上发表论文,并构思了第一幅寒武纪早期的水下生命景观图。文章发表后,立即引起全世界的广泛关注。美国《纽约时报》将澄江生物群的发现称之为二十世纪最惊人的科学发现之一。澄江动物群不仅为科学界所关心,经由纽约时报及美国国家地理杂志等刊物的报道,事实上已逐渐在国际间流传于广大公众。

1991年,以中国科学家为主的国际合作计划开始展开。一些重要的研究成果相继在Nature、Science等国际性权威科学杂志上发表。结果引起了全球新闻媒体的追踪报道,其中包括1995年美国的《科学新闻周刊》、《时代周刊》和《纽约时报》等著名媒体先后所发表的大篇幅论评。

1990年以来,以陈均远为首的跨国科学研究小组为破解寒武纪生命大爆发之迷,多次在帽天山等化石产地进行大规模的发掘活动,已采集到成千上万枚珍贵的化石标本,并逐一对其进行详细而深入的分析与研究。其中“奇虾”完整化石标本的发现令人感到兴奋。因为奇虾类的第一块化石记录其实只是前附肢的标本,它最初被认为是某种虾状节肢动物的身体,但这种虾子的头部一直没有被发现,因而令人百思不得其解,于是起名为奇虾。奇虾的口器标本最早被误认为一种水母生物。一直到1985年,Whittington和Briggs对奇虾类较完整化石标本的研究结果发表之后,才把多年来的这一错误修正过来。

1992年夏季是澄江化石发现史上成果辉煌的一年。这一年连续有三块相当完整的奇虾类化石在澄江发现,它们分别属于两个属两个种。其中有一块是当今世界已发现的奇虾化石中最为完整的标本。在此之前由于标本的不完善,奇虾曾被Whittington和Briggs复原为秃尾虾。其实它们不但有很大的尾扇,而且还有一对很长的尾叉。其实,完整奇虾化石发现的意义不仅在于纠正以前的一些错误,其真正的意义在于揭示了寒武纪早期大型捕食动物的存在。针对上述的重要发现,陈均远等人于1994年在Science期刊上发表了一篇报道。他们认为在寒武纪的早期,海洋的生态系统已经相当完整、具有金字塔式的能量传导系统,而奇虾就是这个金字塔系统顶端最具代表性的生物。巨型食肉动物“奇虾”在Science杂志发表后,立即引起世界各大媒体的关注,包括美国《科学新闻周刊》的封面专题评述文章。这个发现为寒武纪大爆发注入一个新的科学内容,说明复杂生态系的历史起点出现在寒武纪早期。

脊索动物的始祖—云南虫

侯先光及其合作者所命名的云南虫是非常奇特而令人费解的一种生物。他们认为云南虫是已经灭绝的一个生物类群。

云南虫的化石标本带有一种相当奇妙的特质,甚至连它们保存在岩块中的方式也非常与众不同。它们总是以蓝灰色呈现,这些特征早就引起陈均远的注意。他认为云南虫化石一定含有某种“玄机”,但必须有新的化石发现才可能揭示其中奥秘。苍天不负苦心人,在1992年夏季的野外作业中,他们终于发现两块完整的云南虫标本,上面都保存着一条贯穿身体的管状构造。在1993年冬,他与来自波兰科学院的访问学者Dzik对云南虫标本开展进一步的观察和讨论,最后认为那一条贯穿身体的管状构造就是脊索,亦即云南虫就是脊索动物。任何一个重要的科学结论都必须要有证据的支持,然而最艰难的部分则莫过于证据的取得。当时由于证据的不足,这一论点还只是处于酝酿的阶段。1994年冬季的野外作业,他们又发现了十余块完整的云南虫标本。这些标本的发现使他们更加确定云南虫就是脊索动物。那一次野外作业结束的前一天中午,陈均远与他初来乍到的合作者L.Ramskokd和C.Edgecombe展开了极有成效的讨论,对云南虫属于脊索动物的结论也达成共识,而且相信已有足够的证据来支持这个观点。于是1995年他们在Nature上发表一篇论文,说明云南虫是目前已知最古老的脊索动物所留下来的化石。长久以来,发现于布尔吉斯页岩中的皮凯亚虫一直被认为是最早的在地球上出现的脊索动物。云南虫的发现,使得脊索动物在地球上出现的历史又往前推进了1500万年。

脊索动物的发表燃起了探索脊椎动物起源的火把,国际上对这一发现很快做出了反响和评论,当时纽约时报发表了题为“从云南虫到我们”的评论,打开了探索地球早期生命起源的一个窗户,在美国科学新闻周刊发表了题为“通向脊椎骨之路”的封面文章,逐步地把澄江动物群成果推向国际,成为科学界和公众关注的亮点。

脊椎动物起源研究的重大进展

陈均远认为,1999年以来是澄江动物群研究工作取得重大进展的时期。在一个月不到的时间里,舒德干和陈均远两个科研小组先后分别在Nature杂志上,报道来自同一个地点脊椎动物海口鱼和昆明鱼,和脊椎动物的祖先、云南虫的姐妹类群海口虫的发现。其中海口鱼和昆明鱼的头部具有侧眼、鼻囊和可能听囊的感觉器官,表明已经进入脊椎动物的轨迹。这一发现引起了国际性的轰动,Nature杂志发表了题为“逮住第一鱼”的评论,并指出“两条鱼的发现是学术界期盼已久的早寒武世脊椎动物”。

科学界一直认为无脊椎动物与脊椎动物之间存在着难于跨越的形态隔阂。 形态解剖学的研究表明,海口虫不仅具有许多与文昌鱼相似的特征,同时还具有许多脊椎动物所特有的特征。陈均远通过分支分类分析表明:海口虫与脊椎动物的亲缘相关性为97%,与头索动物的亲缘相关性不到5%,而且海口虫与脊索动物亲缘相关性为100%;确认了海口虫是“消失了的中间环节”,回答了无脊椎动物究竟是如何向脊椎动物过渡的若干科学问题。海口虫这一处于无脊椎动物与脊椎动物之间的特殊进化位置,为脊椎动物起源的研究扮演了极为重要的角色。美国形态学杂志2003年258卷第一期将海口虫化石作为彩封并以脊椎动物的起源作为封面的标题。海口虫保存了包括脑、背神经索、背动脉、口腔、口须、鳃弓、侧眼、鼻孔、原脊椎、上下唇、肌肉纤维等解剖学构造。以上解剖学构造为探索脊椎动物的起源、食性的起源、头部感觉器官的起源、脊椎骨的起源和颚弓的起源提供了依据。

2003年1月,舒德干与英、法、日等国学者合作完成的又一项重要成果“早寒武世脊椎动物海口鱼的脊椎骨和头部构造”发表在英国Nature杂志上,这标志着脊椎动物起源研究这一长期困扰学术界的难题取得了实质性的进展。由舒德干等人新发现的数百枚海口鱼软躯体标本,提供了大量新的重要生物学信息,其中正好包括头部构造和原始脊椎构造两方面的信息,成为研究脊椎动物关键器官起源演化的可靠证据。显然,这一已知最古老脊椎动物独特的镶嵌构造结构特征,很可能恰好代表着进化科学界期盼已久的由无头类进化到有头类的关键环节。实际上,对现生和化石低等鱼类进行分支谱系分析的结果也证实,海口鱼的确是已知最原始的有头类。

在探索脊椎动物起源的研究中,舒德干还初步勾勒出了脊椎动物起源演化的“五步走假说”的基本轮廓,引起了学术界的更加关注。

澄江动物群中这一系列重要的科学发现,表明脊索动物和脊椎动物的祖先在寒武纪早期已经出现。脊索动物和脊椎动物在澄江动物群的存在,极大地突出了寒武纪大爆发的规模,确切证明了不仅现代动物的许多门类在寒武纪大爆发时期已经出现,而且还有20多个已经灭绝的、相当于门一级的动物也同时出现。

澄江动物群研究与生物演化理论

在古生物学中,一直有一个很吸引人的大迷题,那就是到底有没有发生过寒武纪大爆发?大概是5亿3千多万年前,也是地质学家所谓的“寒武纪时代”刚开始不久,短短几百万年之间,绝大部分的多细胞动物“门”类突然在地球上出现。无数的疑问因而产生,包括:在寒武纪早期到底为什么会引发出一场爆发式的演化?寒武纪之前的四十亿年之间,到底曾经发生过什么事?为什么在地球历史上最初六分之五那段历史记录显得生命世界如此地平静无波?

人类在地球的生命舞台上,扮演着双重的角色,既是演员,也是观众。化石的发现使科学家对生命的认知得以扩展到35亿年前的世界。但在19世纪之前,许多科学家们仍然相信圣经所记载的历史,认为上帝在6千年前用7天的时间创造了这个世界。瑞典伟大的博物学家林奈,认为上帝曾经创造了一万个以上的物种,而且这些物种从来未发生过演化或灭绝。1859年,达尔文的《物种起源》则是反神创的一种言论。它的发表代表着演化生物学的确立。根据化石的记载,当时已有人相信生命的历史应从6千年前再往前推到寒武纪。

达尔文的《物种起源》开创了演化生物学的新纪元。人们开始相信生命的演化确实存在,而且这些变化还能够遗传给后代。达尔文同时又认为,生物种的存在是经过自然选择的结果,无法适应环境的物种会被淘汰,最后建构出来的则是更能适应环境的物种,而且演化的过程是藉着微小的步伐逐渐累积而成的。

自然选择学说是达尔文演化理论的核心,与其同时代而且声名显赫的地质学家莱依尔一样,他们都是以自然和均变的观点来看生命的变化。达尔文一方面正确地拒绝了神秘化的超自然主义并坚守着唯物主义,另一方面,面对无法解释的巨大困惑,他只能说如果眼睛或翅膀突然地出现在生物体上,简直就是一种“神迹”。于是他不能接受关于演化的大突变提法。达尔文的渐变观可在他写给莱依尔的一封信中略见一斑,其中提到:“如果我的天择学必须借助于突变,那么我将弃之如粪土”。

达尔文所预言的演化模式,是一个不断多样化、不断扩增的演化论。多细胞动物由少数彼此接近的物种所组成,不断演化的结果,物种之间的形态差异也越来越大,各种生物门类的分野在演化的中后期才逐渐显现出来。

澄江动物群所展示的演化模式与达尔文所预示的模式不同。它不但证实了大爆发式的演化事件在5亿3千多万年前确实曾经发生,最令人震撼的则是在这一事件发生的短短数百万年期间,几乎所有现生动物的门类和许多已灭绝了的生物,突发式地出现于寒武纪地层,而在更老的地层却完全没有其祖先型的生物化石发现。在这一个瞬间性突发的大事件中,不仅建立了许多现生动物门类(包括脊索动物在内)的结构蓝图,另外还有二十几个已经绝灭了的生物种,与现生动物的分类系统没有任何关连,但每一个种却各自代表一个相当于门一级的结构蓝图。因此,寒武纪大爆发可看成是动物门类结构蓝图诞生的大事件。

澄江动物群是目前世界上所发现的唯一保存最好、动物类型最多、时代最古老的动物群,它使研究人员首次如实地看到了5.3亿年前地球上最古老的动物群真正面貌。以前所知道的最古老的保存软体的动物群是中寒武世的布尔吉斯页岩动物群。

1909年发现于加拿大落矶山脉的中寒武世的布尔吉斯页岩动物群,被誉为“古生物的天堂”。近一个世纪以来,经英、美、加拿大和意大利等国科学家持续的研究而在早期生命研究领域独领风骚,被认为是寒武纪大爆发最具代表性的动物化石群。

我国科学家发现的澄江动物群早于布尔吉斯页岩动物群约1500万年,澄江动物群的研究成果纠正了布尔吉斯页岩动物群研究中的许多错误,如怪诞虫背腹的颠倒等。澄江动物群研究,首次对寒武纪大爆发本质进行了系统理论阐述,正确诠释了寒武纪大爆发事件。在现生动物门和亚门化石的发现、脊椎动物和节肢动物的起源和早期演化、绝灭类群解剖学和亲缘性的研究等方面均超越了布尔吉斯页岩动物群的研究。

对科学研究的执著

世界上从事科学研究的人很多,每个人在选择自己所感兴趣的工作理由时也不会相同。陈均远最初的兴趣是什么?他是如何进入澄江生物群的研究领域并发展到现在这样一般人难以想象的痴迷程度?记者在与他的交谈中找到了点滴答案。

陈均远对古生物研究的兴趣并不是与生俱来的。16岁初中毕业的他,一边想找工作,一边又想参加高考。对“天”和“地”充满着无限遐想的他填报了“天文”和“地质”两个志愿。后通过一个多月高中课程的复习去参加考试,居然被西北大学的地质专业录取。在当时交通很不方便的情况下,他从老家浙江平阳敖江步行100多里到温州,然后坐了5天5夜的火车辗转南京、徐州,最后来到充满神奇的古都西安,开始踏上能寻找祖国宝藏的地质梦。大学四年的生活,自认为不是好学生的他只要求自己的学习成绩在4分以上即可(当时实行的是5级分制),因此学习很轻松。在此期间,他便有机会在图书馆借阅了大量的名人传记。如马克思、爱因斯坦等人的自传他都认真读过。他不知道当时看的这些自传是否会对他以后塑造自己的志向产生什么作用,但他不否认,成功人的自传都有他的特殊之处,即他们对问题的看法都有独特的见解和对事业的追求都很执著。他承认这种执著的精神对他的成长起到了潜移默化的作用。当时的西安,虽然古代帝王之气已消失,但它给陈均远心灵上塑造的中华民族曾经有过的辉煌令他四年的大学生活十分充实和愉快。

1960年大学毕业以后,想去西藏工作的他没想到会分配在中国科学院南京地质古生物研究所。他坦言,到科学院工作并不是他追求的地方,因为一开始他对古生物研究不是很感兴趣。在他的印象中,古生物学长期以来只是资源、矿产经济的基础工作,它是为资源开发提供年代的一个工具。不可否认,在生物学的发展中,古生物为进化理论提供了证据,也出现了很多睿智的科学家,在进化理论发展领域作出过很辉煌的成就,但古生物大量的工作还是找“金钉子”等。而他更是一个浪漫主义者,喜欢研究生命边缘学科,但却始终未能如愿。在我们国家当时的那些特殊时期里,陈均远参加了历时三年的“四清”工作,对初出校门的他来说在科研领域上还立足不稳,但离开他的专业领域来从事社会活动并没有给他带来不愉快的感觉。一开始他对参加“四清”运动并不感兴趣,这对他来说只是一种无奈而已。不过不久之后他也逐渐适应这样的工作,经受了社会实践的锻炼,更深入地了解了社会。接下来的文化大革命,使他们的科研工作受到了较大的影响,陈均远的兴趣也一直在转来转去。好不容易等到了“抓革命、促生产”的时机,使他有机会第一批参加了西南石油会战和科学院为国家找富铁矿的工作,和已故的穆恩之院士等在我国的大西南辗转了数年。谈起这段野外工作的经历,陈均远至今记忆犹新。他不能忘却的是那是第一次获得重新进入科研工作的机会,更不能忘却的是和穆恩之老师有过值得回忆的共同经历。在贵州的一个小山村“7进7出”(因这一地方是麻疯病流行地区,且住的地方蚊子又特别多,为防止被蚊子感染上麻疯病,他们天一黑,约在晚上7点就躲进蚊帐。蚊帐外边还挂上沾满敌敌畏的棉花球,直到第二天早上7点再出来)。于是他与穆恩之院士有了很多难得的交流机会。他们之间不仅建立了友谊,而且是一个忘年之交。穆恩之是他的老师,也是他的朋友。他们在蚊帐里交谈得很多,谈历史,谈现实,谈未来。穆恩之严谨的治学态度和对科研工作的执著追求都给陈均远留下了深刻印象,也影响了他的一生。他认为影响他一生的人物除了穆恩之之外,还有后来与他有过共事合作经历的国际著名古生物学家泰歇克教授。

陈均远真正从从事头足类化石研究转入到寒武纪大爆发和特异埋藏化石群的研究是源于这样的一次机会。1983年,作为中国科学家,陈均远参加了在加拿大的布尔吉斯页岩动物群的发掘工作。收获最大的是对保存软躯体动物研究的科学意义有了更进一步的认识。加拿大这一动物群的发现地,被列为国际四大自然地质遗址之一。同时,陈均远在接受CBC(加拿大广播中心)的采访时,对他们提出的“中国有没有希望发现类似布尔吉斯页岩动物群”的问题时,非常自信地做出了肯定的回答。当时好像是梦想,一年之后,侯先光发现澄江动物群,使梦想成真。这么重要的发现,少数人的研究力量肯定是不行的。这就是陈均远在1987年放弃正在从事的寒武纪/奥陶纪“金钉子”和其它研究工作转移到澄江动物群研究领域的主要原因所在。

喜欢跨越的陈均远一直在不停地跨越,寻找新的工作方向和目标。1998年,他和李家维教授共同实现了向前寒武纪历史性的跨越,在这一年2月,他们在美国科学杂志发表了多细胞动物化石的发现,于是新的研究方向在他前面展现。他认为每个跨越并不是像狗熊捡苞谷,捡一个丢一个,而是让你进入一个全新的领域和使你拥有更加开阔的视野。每一个跨越和进入你原来不熟悉的领域要为此付出大量的心血和汗水。了解他的人都说,他从来没有休息过节假日,甚至晚上多次因加班忘了时间被锁在办公楼里。为了尽快适应新领域的研究,他不断地在进行学习和思考。从美国回来买的最多的东西就是书,直到自己扛不动为止。为了更好地同时开展澄江动物群和瓮安动物群的研究工作,他举家从南京迁到了化石所在地—云南澄江县,在那里安营扎寨,开展了一系列卓有成效的研究工作。凡是去过他澄江工作点的人无不被他为科研献身的精神和敢于开拓创新的勇气所折服。他告诉记者,一旦确定了自己的选择就会非常执著。当记者问他为什么会这么执著时,他是这样回答的:“我们在做研究工作时,一旦认识到它的价值意义,就会激发你的工作热情,这是常人所不能想象到的。对科研执著的原因更多来自于跟这些化石的交流。与这些远古生命近距离的交流常常会得到常人所不能得到的乐趣,但并不是一开始就能与它们顺利交流,这需要智慧、经验和知识的积累。当你拥有一双解读化石的慧眼时,你会觉得工作本身就是一种乐趣”。

关注生命科学的发展和人类之间的关系,是陈均远研究工作的永恒主题。在新的观察层次上进行逻辑的归纳与总结便是他今后的奋斗目标。他表示,惟有不懈的努力和继续的研究,才可望真正揭开这个远古生命世界的奥秘。

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