前沿拓展：雙鴨山友誼縣種植牙多少錢
北京日?qǐng)?bào) | 記者 劉蘇雅
約4.36億年前，在華南大陸揚(yáng)子海邊緣，一個(gè)魚群正在海底暢游、捕食。然而，致命危機(jī)突然降臨，地震，或是上游涌入河口的洪水，短時(shí)間內(nèi)帶來(lái)了大量泥沙，迅速將體型不過(guò)幾厘米、在水底附近活動(dòng)的魚類等生物“封存”，化石中小魚掙扎的姿態(tài)被瞬間定格。
滄海桑田春復(fù)秋。2019年，地質(zhì)錘一次不經(jīng)意的敲擊，找到了重慶特異埋藏化石庫(kù)這一魚類化石“寶庫(kù)”的鑰匙。中科院院士、中科院古脊椎與古人類研究所研究員朱敏團(tuán)隊(duì)尋遍全國(guó)，終于發(fā)現(xiàn)了這個(gè)志留紀(jì)早期的“水族館”。而被“定格”在此的古魚類，就是人類等脊椎動(dòng)物遙遠(yuǎn)的祖先。這一發(fā)現(xiàn)，填補(bǔ)了“從魚到人”演化史上初始的空白一頁(yè)。
發(fā)現(xiàn)古老的有頜類牙齒化石，找到完好保存的世界早的軟骨魚類化石，將完整有頜類的化石記錄前推了1100萬(wàn)年……今年9月29日，《自然》雜志以封面文章的形式，同期連發(fā)朱敏團(tuán)隊(duì)的四篇論文，讓我們終于得以窺見(jiàn)上古時(shí)代“魚類黎明”的一角。
朱敏院士 蘆濤攝
團(tuán)隊(duì)正在野外工作。
一腳“踢”出重大發(fā)現(xiàn)
北至雙鴨山，南至海南島，西至西藏阿里地區(qū)，朱敏的足跡遍布祖國(guó)大地。而他的“尋寶”目標(biāo)，卻是脊椎動(dòng)物身體上一處很少被人留意的部位——頜。
頜的出現(xiàn)，是生命演化史上一次重要的飛躍，為脊椎動(dòng)物稱霸世界起到了關(guān)鍵作用。生活在水中的無(wú)頜類動(dòng)物可以借助水流，把食物直接吸進(jìn)嘴巴，但在陸地上，動(dòng)物必須擁有主動(dòng)攝食的能力才能生存，這樣一來(lái)，擁有靈活的上頜和下巴極大增加了動(dòng)物的演化潛力，為它們登上陸地做好了準(zhǔn)備。
分子鐘研究已經(jīng)推斷出，有頜類晚在距今約4.5億年前的奧陶紀(jì)晚期就已出現(xiàn)，因此在后續(xù)的志留紀(jì)地層，理應(yīng)存留著有頜類化石。但之前有頜類完整化石的記錄只能上溯到約4.25億年前的志留紀(jì)晚期，有頜類的早期演化存在一段綿延近3000萬(wàn)年的化石記錄空白，美國(guó)古脊椎動(dòng)物學(xué)家阿爾弗雷德·羅美爾曾稱其為“古生物學(xué)史上一個(gè)頑固存在的重大空白”。
缺少確切化石記錄的早期有頜類被稱為“幽靈支系”，看不見(jiàn)、摸不到，究竟到哪里才能找到它們？我國(guó)志留紀(jì)地層主要包括下紅層、上紅層和羅德洛統(tǒng)紅層，在多個(gè)省份均有分布，我國(guó)科研人員早在上世紀(jì)60年代起，就開(kāi)始在全國(guó)范圍內(nèi)搜尋線索。追尋著老一輩的足跡，近十年來(lái)，朱敏帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)踏遍了我國(guó)志留紀(jì)地層可能含魚的200多個(gè)地點(diǎn)，其中就包括重慶市秀山土家族苗族自治縣和貴州省石阡縣。
“去了一般都找不到，不去肯定找不到。”這樣“屢敗屢戰(zhàn)”的野外工作狀態(tài)，幾乎是古生物研究工作的常態(tài)。對(duì)此，古脊椎所副研究員朱幼安已習(xí)以為常：“我們就是把野外工作當(dāng)成必須完成的任務(wù)?！?/p>
朱敏團(tuán)隊(duì)就這樣找了十多年，雖然也在湘西地區(qū)的志留紀(jì)地層中找到了一些零散保存的棘刺、鱗片等可能是屬于頜類的化石，但只靠這些零散材料，無(wú)法復(fù)原古魚類的結(jié)構(gòu)、推斷它們的演化歷程?！拔覀儧](méi)法判斷一枚鱗片究竟長(zhǎng)在魚的哪個(gè)部位，如果用它來(lái)做復(fù)原，就是盲人摸象。”朱敏說(shuō)。
“靠證據(jù)說(shuō)話”，是古生物學(xué)研究的信條。為了尋找證據(jù)，朱敏將目光投向了更古老的地層，但地層時(shí)間越久遠(yuǎn)，保存下來(lái)的化石就越少。多年來(lái)，團(tuán)隊(duì)獲取到的化石在形成年代上沒(méi)有實(shí)質(zhì)性突破，始終徘徊在志留紀(jì)晚期，難以向前推進(jìn)。
在石阡縣一條新修通的公路旁，朱敏團(tuán)隊(duì)開(kāi)啟了科研的“幸運(yùn)之旅”。
2019年2月，是近十年來(lái)朱敏第三次到石阡地區(qū)開(kāi)展野外工作。這一次，在公路旁的峭壁上，他們發(fā)現(xiàn)了一處歷經(jīng)4.38億年滄海桑田的化石富集層——貴州石阡化石庫(kù)，團(tuán)隊(duì)成員、古脊椎所研究員趙文金在這里一待就是半年，采集到了大量樣本。
幾個(gè)月后，類似的“劇本”在秀山縣再次上演。另一條盤山公路，成為了穿越到志留紀(jì)早期的“時(shí)光隧道”。
回憶起重慶特異埋藏化石庫(kù)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，團(tuán)隊(duì)成員每講一次都難掩激動(dòng)：“我們?cè)镜哪繕?biāo)并不是那兒，之前已經(jīng)在野外工作了大半個(gè)月，當(dāng)然和往常一樣，并沒(méi)有什么重要的發(fā)現(xiàn)，還是挺泄氣的。”
但事情的轉(zhuǎn)折總是藏在不經(jīng)意的決定中。朱敏在查看地圖時(shí)，發(fā)現(xiàn)周邊有一處2018年新修成的盤山公路——川河天路，當(dāng)即決定實(shí)地去看一看。
天路蜿蜒而上，在修建過(guò)程中產(chǎn)生了大量新斷面和碎石，從山腳駕車而上需要經(jīng)過(guò)45個(gè)大彎道，當(dāng)?shù)胤Q其為“川河蓋45拐”。團(tuán)隊(duì)一路向上而行，不時(shí)停下來(lái)，掏出地質(zhì)錘對(duì)路邊的碎石敲敲打打。就這樣走走停停到了第38拐，依然沒(méi)有任何驚喜。此時(shí)大家已經(jīng)工作了一整天，都疲憊不堪，一位隊(duì)員在采樣過(guò)程中，開(kāi)玩笑地踢向旁邊同伴。原本只是想調(diào)節(jié)一下沉悶的氣氛，沒(méi)想到同伴側(cè)身一閃，踩到了一小堆新鮮的碎石。
抱著試試看的心態(tài)，幾錘下去，驚喜出現(xiàn)：一條此前從未發(fā)現(xiàn)過(guò)的、保存完好的新魚類化石現(xiàn)身了！由于川河天路位于川湘交界，于是團(tuán)隊(duì)為其取名“邊城魚”，以致敬沈從文的作品《邊城》。
雖然邊城魚生存的年代是志留紀(jì)晚期，并沒(méi)有在化石時(shí)代上達(dá)成突破，但這是一條重要的化石線索。朱敏團(tuán)隊(duì)在這里扎了根，整整挖掘了一年多，終于在附近更早的志留紀(jì)早期地層中有了重磅發(fā)現(xiàn)——川河蓋地區(qū)綿延的大山里，藏著一座4.38億年前志留紀(jì)早期的“史前水族館”！
一塊僅有巴掌大的化石石板上，數(shù)十條魚類化石清晰可辨。“真是活靈活現(xiàn)?。 弊屑?xì)端詳著清理完成的化石標(biāo)本，朱敏忍不住驚嘆。像這樣“近乎”的化石，在重慶特異埋藏化石庫(kù)接連出土。
隨著樣本收集的深入，感到無(wú)比慶幸。這批化石被封存在粉砂巖中，極其松軟，很容易被雨水侵蝕風(fēng)化。“開(kāi)始發(fā)掘的那幾天，周邊一直在下雨，如果再晚去幾天，可能就要與它們擦肩而過(guò)了?！?/p>
“可遇而不可求?！边@是朱敏對(duì)團(tuán)隊(duì)這一發(fā)現(xiàn)的概括?？雌饋?lái)有些“誤打誤撞”的科考過(guò)程，其實(shí)隱藏著必然，一次次的走訪、一錘錘的敲擊，終于推開(kāi)了了解地球生命早期歷史的全新窗口。
4噸樣本篩出0.03克化石
在野外工作，古生物研究者做得多的動(dòng)作就是“敲”。
找到特定年代的地層后，先將巖層取樣挖出，再用地質(zhì)錘小心地一層層敲開(kāi)，尋找化石的蹤跡。這需要一雙“火眼金睛”，現(xiàn)場(chǎng)拍攝到的化石原始樣本照片幾乎沒(méi)有任何特點(diǎn)，看起來(lái)就是一塊普通的石頭；但“閱石”的朱幼安就能敏銳地分辨出，斷面上一處深色條帶其實(shí)是一條魚的化石，放到顯微鏡下，魚的頭、尾、鱗片等果然露出“真身”。
珍貴的標(biāo)本被他們小心地收集起來(lái)，不過(guò)，研究的重頭戲，還是要回到實(shí)驗(yàn)室里。
在貴州石阡采集到的重達(dá)4噸的巖石樣本，裝了滿滿幾卡車，古魚類的微體化石就藏在其中。這里雖是化石的富集層，要想從中找到珍貴的化石樣本，仍是“大海撈針”。這項(xiàng)工程，5個(gè)人足足做了一年半。
巖石先要經(jīng)過(guò)醋酸的洗禮。經(jīng)過(guò)兩次酸處理，這批巖石中的雜質(zhì)被徹底除去，留下了約300公斤重的砂子狀的樣本。之后的工作就從大刀闊斧變成了細(xì)琢，要想分辨出以毫米為單位的魚類微體化石，必須在顯微鏡下“沙里淘金”，一點(diǎn)點(diǎn)篩選樣品。
端坐在顯微鏡前的500多個(gè)日夜，一無(wú)所獲是常態(tài)。但做古生物研究，必須適應(yīng)心態(tài)的落差，坐得住“冷板凳”。
終于，好消息傳來(lái)，在石阡縣志留紀(jì)地層采回的4噸魚類微體化石樣本中，科研人員先后發(fā)現(xiàn)了23枚長(zhǎng)度僅有2毫米左右的雙列黔齒魚牙齒標(biāo)本，總重量?jī)H有0.03克。這是世界范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)的古老的有頜類牙齒化石，揭秘了早有頜類牙齒的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)和發(fā)育特征。從牙齒的尺寸就能看出，這些古魚類體型普遍較小。
嬌小的體型，給后續(xù)的化石處理帶來(lái)了挑戰(zhàn)。距今4.36億年的志留紀(jì)早期，大氣含氧量低，重慶特異埋藏化石庫(kù)出土的古魚類化石體長(zhǎng)不過(guò)3至4厘米。要想細(xì)致重建它們的身形，需要更確切的形態(tài)信息，這也意味著在處理化石時(shí)，需要更加精細(xì)。
處理大型的恐龍化石，操作可以大開(kāi)大合，用氣動(dòng)筆打磨掉周圍的巖石，就能相對(duì)輕松地露出化石。而朱敏團(tuán)隊(duì)在處理這批古魚類化石樣本時(shí)，用的是比縫衣針還要尖細(xì)的鋼針與顯微鏡的組合。由于這批古魚類身輕骨脆，又是保存在粉砂巖中，很多微小結(jié)構(gòu)已經(jīng)接近粉砂巖粒度保存精度的上限，操作時(shí)，甚至大氣都不敢喘一下。
“要在顯微鏡下面小心修整，不能劃、不能挫，每次只能輕輕地搭一下，移掉一粒沙子?！被逍奕藛T抱著“寧可不修，也不能修壞”的原則，邊觀察、邊修理，每塊化石的處理過(guò)程短則一周，長(zhǎng)則一兩年。
在古脊椎所的實(shí)驗(yàn)室里，既有這些傳統(tǒng)的“手藝活兒”，精密設(shè)備也不少見(jiàn)。古魚類的骨骼很薄，與周邊巖石間的密度差幾乎為零，這為CT掃描工作出了難題。經(jīng)過(guò)反復(fù)研究，科研人員發(fā)現(xiàn)，挖掘、切割會(huì)讓化石順著骨骼裂開(kāi)幾微米寬的縫隙。就是依靠這些肉眼都無(wú)法看到的裂縫，他們利用高精度CT掃描技術(shù)，精細(xì)描繪出了化石內(nèi)部的骨骼形態(tài)信息，完成了三維模型的重建。全光位技術(shù)也被應(yīng)用在古脊椎動(dòng)物研究中。四十多個(gè)光源依次從各個(gè)方向順序照過(guò)化石表面，在計(jì)算機(jī)軟件中合成之后，化石表面的細(xì)節(jié)纖毫畢現(xiàn)，比頭發(fā)絲還要細(xì)小的結(jié)構(gòu)也能清晰地展現(xiàn)出來(lái)。這項(xiàng)技術(shù)曾經(jīng)被用在法醫(yī)、考古等領(lǐng)域，觀察指紋、筆記、銘文等細(xì)微痕跡。其形成的數(shù)字圖像，能將化石的三維表面信息與其他研究者共享，通過(guò)操縱虛擬光源的方向和強(qiáng)度，檢驗(yàn)形態(tài)信息和解釋是否準(zhǔn)確。
通過(guò)這些的數(shù)字技術(shù)，科研人員將這批從未被發(fā)現(xiàn)過(guò)的古魚類進(jìn)行了精巧3D可視化復(fù)原。在復(fù)原圖像中，它們仿佛又“活”了過(guò)來(lái)，從化石中“游”到了我們眼前。而更重要的是，這些魚類的重要器官和身體的演化過(guò)程，也有了直觀的化石依據(jù)。
化石證據(jù)刷新世界認(rèn)知
奇跡秀山魚結(jié)合了盾皮魚類幾大類群的特征，預(yù)示著有頜類頭骨由盾皮魚類向硬骨魚類的轉(zhuǎn)變，它將完整有頜類化石記錄前推了1100萬(wàn)年；“披盔戴甲”的蠕紋沈氏棘魚，是世界上目前發(fā)現(xiàn)早的關(guān)聯(lián)完好保存的軟骨魚類化石，也是鯊魚的直系祖先，這枚近乎“”的化石，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)志留紀(jì)-泥盆紀(jì)軟骨魚類化石發(fā)現(xiàn)“零的突破”；在靈動(dòng)土家魚化石的腹部，一對(duì)寬度不足1毫米、縱貫全身的腹側(cè)鰭?cǎi)耷逦梢?jiàn)，這個(gè)器官經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的演化過(guò)程，終演化為了脊椎動(dòng)物的四肢……
手握重磅成果，朱敏團(tuán)隊(duì)信心滿滿。沒(méi)想到，這批論文投稿的過(guò)程和他們想象的完全不同，可謂是一波三折。
對(duì)“有頜類古老牙齒”的研究論文先成稿，卻在前后幾個(gè)月里，收到來(lái)自《自然》《科學(xué)》兩雜志審稿人的三次斃稿信。朱敏深知這一成果的分量，不愿改投其他期刊，論文便被暫時(shí)擱置。所幸，隨著后續(xù)的同系列論文接連出爐，雜志編輯意識(shí)到了它們的科學(xué)價(jià)值，認(rèn)為這是“一個(gè)完全出乎意料的特異埋藏”，這才將其“救”了回來(lái)。
通過(guò)了編輯的第一關(guān)，后面還有著重重考驗(yàn)。在團(tuán)隊(duì)成員看來(lái)，雜志編輯和審稿人看到這些如此重要的化石標(biāo)本，應(yīng)該是“五體投地、佩服之至”，迅速安排版面發(fā)表論文?！暗覀兪盏降模莵?lái)自審稿人一輪又一輪的‘鞭打’。”朱幼安笑道。
非凡的結(jié)論，要有非凡的證據(jù)。審稿人發(fā)來(lái)的郵件中，開(kāi)篇雖稱贊了朱敏團(tuán)隊(duì)的研究成果是“peerless（無(wú)與倫比的）”，但后面緊跟著的，便是密密麻麻的20多條審稿意見(jiàn)。朱幼安回憶：“我們往下翻著郵件，一頁(yè)接著一頁(yè)，興奮感一下就被澆滅了。審稿意見(jiàn)說(shuō)，這里和過(guò)去的理論不符，請(qǐng)?jiān)敿?xì)說(shuō)明；這張照片不清楚，那張更不清楚，請(qǐng)全部重新拍攝；這一段請(qǐng)全部刪去……”
論文正文不過(guò)4000字，但對(duì)第一輪審稿意見(jiàn)的回復(fù)，團(tuán)隊(duì)就寫了8000字，緊接著是第二輪、第三輪……通常三輪交鋒結(jié)束，審稿人就會(huì)作出采納與否的結(jié)論，但這次，他們又迎來(lái)了第四輪。
期間，全光位技術(shù)“立了功”。通常在論文中，科研人員只會(huì)搭配單一光照條件下的一張或數(shù)張圖片，這其中可能包含作者的主觀視角，帶來(lái)可重復(fù)性、可檢驗(yàn)性等問(wèn)題。這次，朱幼安用一個(gè)月重新拍攝整理了化石的全光位圖片，順利過(guò)了關(guān)。
經(jīng)過(guò)10個(gè)月的四輪審稿，審稿人終于發(fā)來(lái)了確認(rèn)郵件：“The revision is completed。（修改完成。）”此時(shí)，朱幼安已經(jīng)心靜如水，因?yàn)樗?，自己能夠回答審稿人?duì)這篇論文提出的任何問(wèn)題。
其實(shí)在朱敏看來(lái)，答復(fù)審稿人看似苛刻的提問(wèn)，是科研工作的必要一環(huán)。如果研究本身足夠細(xì)致，證據(jù)經(jīng)得起任何考驗(yàn)，文章即使流傳幾十年、上百年，也能“立得住”。
更讓團(tuán)隊(duì)自信的是，剛剛發(fā)表的這批成果，只是對(duì)有頜類早期演化的“驚鴻一瞥”?，F(xiàn)在，他們的野外工作仍在繼續(xù)，朱敏相信，未來(lái)仍將有驚喜不斷涌現(xiàn)?！爸貞c川河蓋地區(qū)有很大的研究潛力，這次的系列成果只是個(gè)開(kāi)始，這批論文僅描述了其中復(fù)原的3條古魚類，現(xiàn)在團(tuán)隊(duì)已初步整理出十余個(gè)魚類屬種，絕大多數(shù)都屬于全新的類群?！?/p>
朱敏表示，重慶特異埋藏化石庫(kù)是繼澄江生物群、熱河生物群之后，又一個(gè)在我國(guó)發(fā)現(xiàn)的、為探索生命之樹(shù)演化重要節(jié)點(diǎn)提供大量關(guān)鍵證據(jù)的特異埋藏化石庫(kù)。它證實(shí)，遲在4.4億年前，有頜類各大類群已經(jīng)在我國(guó)華南地區(qū)欣欣向榮。到志留紀(jì)晚期，更多樣、更大型的有頜類屬種出現(xiàn)并開(kāi)始擴(kuò)散到，開(kāi)啟了魚類登陸并終演化為人類的過(guò)程。對(duì)它們的詳細(xì)研究，將持續(xù)改變我們對(duì)頜起源與有頜類早期演化的認(rèn)識(shí)，“我們還是要不斷地追索、找尋”。
5種志留紀(jì)古魚新屬種的三維藝術(shù)復(fù)原，從上到下分別為蠕紋沈氏棘魚、新塑梵凈山魚、雙列黔齒魚、靈動(dòng)土家魚和奇跡秀山魚。（擬石科技制作）
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