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日志

4.39亿年前的化石重见天日 揭秘“从鱼到人”演化关键跃升

已有 68 次阅读2022-9-29 07:43 |系统分类:时政

4.39亿年前的化石重见天日 揭秘“从鱼到人”演化关键跃升

重庆生物群中的化石。新京报记者 张璐 摄

地球上现存99.8%的脊椎动物都具有颌骨(上颌与下巴),统称为有颌脊椎动物或有颌类。有颌类的出现与崛起是“从鱼到人”的脊椎动物演化史上最关键的跃升之一。这一跃升具体发生在何时?又是如何发生的?

近期,中国科学院古脊椎动物与古人类研究所朱敏院士团队在重庆、贵州等地志留纪早期距今约4.4亿年的地层中发现“重庆特异埋藏化石库”和“贵州石阡化石库”,填补了全球志留纪早期有颌类化石记录的空白,首次为有颌类的崛起与最早期辐射分化提供确切证据。

团队采用新技术新方法对鱼类化石开展了详细研究,在有颌类最早期分化、重要器官和身体构型演化等重要科学问题的探索中取得新进展,刷新了传统认知。英国《自然》杂志于北京时间9月28日23时发表团队的4篇学术论文,集中报道了这批研究成果。

化石缺失曾使“有颌类”起源成谜

“颌”的出现,应运而生的是脊椎动物的“崛起”、没有颌,噬人鲨、恐龙都将无法捕食。人类的很多重要器官与身体构型都可追溯到有颌类演化之初。

有颌类的起源与崛起是脊椎动物演化史中最关键的跃升之一,然而,有颌类化石直到泥盆纪之初(4.19亿年前)才大量出现,而分子生物学资料证明,有颌类起源时间应早于奥陶纪晚期(约4.5亿年前)。因此,有颌类的早期演化存在一段至少绵延三千万年、横跨奥陶纪晚期和志留纪(约4.4亿年前-4.2亿年前)的巨大记录空白。

古脊椎动物学巨擘阿尔弗雷德·罗美尔曾经将其称为“古生物学史上一个顽固存在的重大空白”。由于这个空白的存在,尽管人们知道有颌类在志留纪已经存在,但对它们到底长什么模样、有多大、处于什么生态位、如何演化等问题一无所知,甚至不能确定志留纪地层中发现的零星棘刺、鳞片是否属于有颌鱼类。

化石实证的缺失使“有颌类的起源与崛起”笼罩在重重迷雾之中,有颌类在其出现的前三千万年一直是“幽灵支系”。长期以来,学界仅能通过零散保存的鳞片与棘刺等,“盲人摸象”般地推测最早有颌类的身体构型。

重庆生物群带来“鱼类的黎明”

为了填补这一空白,近十年来,中国科学院院士朱敏带领团队踏遍我国志留纪地层二百多个地点,终于在华南志留纪早期地层中发现“重庆特异埋藏化石库”和“贵州石阡化石库”,找到了破解谜题的钥匙。

其中,“重庆特异埋藏化石库”的时代约为4.36亿年前,是目前世界上唯一保存志留纪早期完整有颌类化石的特异埋藏化石库,堪称“鱼类的黎明”。

重庆生物群中的有颌鱼类及无脊椎动物海蝎化石。中国科学院古脊椎动物与古人类研究所供图

“化石是在特殊条件下保存下来的,全球的同行都没有想到能发现如此古老和完整的化石。古鱼化石不仅数量众多、种类齐全,而且保存十分完整、精美。它们呈现了很高的多样性,提供了前所未有的解剖学信息。”朱敏院士说,这是继澄江生物群、热河生物群之后,又一个在我国发现的世界级特异埋藏化石库,为探索生命之树演化重要节点提供大量关键证据。

这些化石是如何被发现并带回来研究的?中国科学院古脊椎动物与古人类研究所副研究员朱幼安用手机展示了一张图片,里面是像小山一样高的石堆,这就是科研人员的工作环境。化石在石头上像一小块黑污渍一样,科研人员要用“慧眼”和经验将它们分辨出来。“我们是手持地质锤将石块一个个敲开的,如果用其他机械或者大锤子,一锤就砸碎了。”一旦发现鱼化石,科研人员要将其拿回实验室修复,在显微镜下用细钢针一点点把鱼“剔”出来。“这个过程中不能划,不能锉,一针剔下的围岩最多也就一粒沙子那么大。”专业人员修化石十分精细,少则一周,多则一两年。

野外挖掘照片。中国科学院古脊椎动物与古人类研究所供图

找到重庆特异埋藏化石库,也有一段故事。朱幼安说,科研人员首先必须知道哪里有志留纪早期地层,这依赖于上百年来,地质地层学者一步步将每个时代上下地层完全搞清楚。2018年,重庆新开了一条天路,通常新开的路上都会挖出新鲜的石头,中科院古脊椎所和曲靖师范学院联合培养的博士后李强就在附近开始寻找。当天下着雨,他找了一天也没有找到,正有点泄劲,突然从滑坡的落石中发现了一块完整的志留纪晚期有颌类化石。此后3年中,科研人员不断找寻并有新的发现,最终找到了大量志留纪早期的珍贵化石。

将完整有颌类的化石记录前推1100万年

重庆生物群的鱼类化石虽然保存完整,但鱼的个体通常都非常小,大多长3、4厘米,它们骨骼非常轻薄而且本身和岩石之间没有密度差,因为给研究带来了很大挑战,甚至连基本的照相工作都非常困难。

为此,团队历时近三年,使用高精度CT扫描、精细三维重建、扫描电镜元素分析、全光位图像、多元统计分析在内的多种手段开展细致研究和反复探索,使得这些化石“吐露”了大量珍贵的解剖学信息。

中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员卢静说,此次研究首次将全光位技术应用到古脊椎动物研究中,能观察到标本更多的细微纹理和结构细节,并可以操作改变虚拟光源,可重复可检验地呈现化石立体图像。

“以往这种技术通常应用在法医鉴定和考古研究中,用于鉴定指纹、笔迹和铭文等细微痕迹。还有研究人员用它来研究昆虫的翅脉纹路。”她说,化石很小而且被压得非常扁,需要调整光源来不停地观察细微的结构。机器就像一个罩子,里面有一圈圆形的灯,在拍摄过程中会依次逐个亮起来。研究人员会获得一个虚拟的环境光,通过改变光的方向,更好地观察细节结构。她提到,以往论文中,研究人员通常仅提供一种光照条件下的一张照片,呈现的图像可能有可重复性和可检验性的问题。此次通过全光位技术,可以给其他研究者共享携带细微三维表面信息的数字图像,并让其他人自己操纵改变光源的方向和强度,检验形态信息及解释是否准确。

有颌类直到志留纪晚期(4.25亿年前)才出现较完善的化石记录。此次研究将完整有颌类的化石记录前推了1100万年,将若干人类身体结构的起源追溯到4.36亿年前的化石鱼类中。

这些化石中,无颌的盔甲鱼类灵动土家鱼为脊椎动物成对附肢起源提供关键化石证据;有颌的蠕纹沈氏棘鱼是迄今所知最早的保存完好的软骨鱼,确证了鲨鱼是从“披盔戴甲”的祖先演化而来。而另一种有颌鱼类奇迹秀山鱼则糅合了多个盾皮鱼大类的特征,为探究有颌类生命之树根部主要类群的起源和脊椎动物头骨演化提供了珍贵资料。

奇迹秀山鱼复原图。中国科学院古脊椎动物与古人类研究所供图

4.39亿年前的鱼化石,将牙齿的最早化石记录前推1400万年

十余年来,朱敏团队同时在贵州志留纪早期地层中开展野外工作。2019年,他们在石阡取得突破。“贵州石阡化石库”时代距今4.39亿年,含有数量多、保存好的有颌类微体化石。科研人员从野外采回的近4吨鱼类微体化石样品中,前后共发现23枚有颌类牙齿标本。

这些牙齿只有2.5毫米长,通过高精度CT、三维复原以及组织学切片等技术手段,研究人员对4.39亿年前的双列黔齿鱼开展了细致的研究,揭秘了最早有颌类牙齿的生长结构和发育特征。志留纪早期发现牙齿化石是非常罕见的,这是迄今为止有颌类出现的最早、最直观的证据,将牙齿的最早化石记录前推了1400万年。

黔齿鱼复原图。中国科学院古脊椎动物与古人类研究所供图

系统发育分析,表明黔齿鱼隶属软骨鱼类全群,支持了早在奥陶纪生物大辐射时期(约4.85亿至4.5亿年前)就已经出现有颌脊椎动物的观点。

4.4亿年前,有颌类已经在华南地区欣欣向荣

朱敏院士称,“重庆特异埋藏化石库”和“贵州石阡化石库”的发现在古生物学史上第一次大规模展示了志留纪鱼群特别是有颌类的面貌,揭示了早期有颌类崛起的过程。4.4亿年前,有颌类各大类群已经在华南地区欣欣向荣;到志留纪晚期,更多样、更大型的有颌类属种出现并开始扩散到全球,开启了鱼类登陆并最终演化成为人类的进程。

对“重庆特异埋藏化石库”和“贵州石阡化石库”的化石研究,将很多与人类相关的解剖学结构追溯到4.4亿年前的远古鱼类,填补了“从鱼到人”演化史上缺失的最初始环节,更新了对有颌类起源与崛起的传统认知,进一步夯实了“从鱼到人”的演化路径。

“重庆特异埋藏化石库”和“贵州石阡化石库”未来还将继续为解开围绕有颌类起源的重重谜团做出贡献。

新京报记者 张璐

编辑 刘茜贤 校对 杨许丽

新京报


这个“铁饭碗” 为何无人问津?

在一段与敦煌考古相关的纪录片中,敦煌研究院考古研究所所长张小刚讲述了“招人难”的境况:在今年的文博招考中,该所一个考古事业编的岗位仅有五六人报名,而最后竟没有一人应试。“敦煌考古编制岗位无人问津”话题很快冲上热搜,引发关注和热议。

敦煌研究院是我国拥有世界文化遗产数量最多、跨区域范围最广的文博管理机构,是顶尖的文博研究单位。敦煌研究院因工作所需,需要招聘专业的高层次人才。而敦煌地处西北、相对偏远,难以为应聘者提供大都市的多彩生活,交通、气候等因素也影响了人们的选择。如张小刚所言,在今年各省份考古研究所增加编制的情况下,敦煌研究院招人更加困难。

敦煌研究院考古研究所的困扰并非孤例。此前,在中国史前三大玉文化中心之一的安徽含山凌家滩遗址,考古挖掘中一度人手紧缺。各级政府对相关考古挖掘工作很支持,“钱不是问题,关键是缺人”。这也说明,一地一隅招揽文保人才的困境,或与当地的经济发展、区位条件、工作待遇等具体情况相关;但纵观考古、文保全行业,则存在人才紧缺的结构性问题。截至2021年底,全国共有国有可移动文物1.08亿件(套),不可移动文物76.7万处,但从业者只有17.57万人。文物多、人才少,“小马拉大车”的困境亟待各方共同破解。

问题是真问题,但解题的土层也在不断培厚。近年来,考古热、文物热一潮接着一潮,《国家宝藏》《中国考古大会》等历史文物节目屡屡破圈,包括莫高窟壁画修复、三星堆遗址发掘等在内的考古文保工作得到更多关注,全社会在厚植文化自信、关注文保领域上迈出坚实的步伐。此前,我们聊过在2020年高考考出高分的农家女孩钟芳蓉,最终选择了北大考古专业。面对他人的不解,钟芳蓉的想法简单赤诚:“我从小就喜欢历史和文物,受到樊锦诗先生的影响,所以报考了考古专业”“选择为考古献身,也希望找到心灵的归处”。时下,钟芳蓉正在她向往的那条路上步步前行。常书鸿、段文杰、樊锦诗……前辈榜样力量引领在先,青年受到感召毅然追随,形成动人的正向循环。

当然,培养考古人才、留住文保人才,还需要实实在在的政策支撑。2021年,国家文物工作首次写入党的历史决议,文物领域五年规划首次提升为国家级专项规划,党和国家对于文物事业的重视可见一斑。各地也积极寻找解题之法。以文物大省山西为例,未来5年将通过高考面向全省免费定向培养600位文物全科人才。学生单独编班,兼顾理论和实践教学,毕业后定向就业……“订单式”文保人才培养是一种有益探索,或许能开辟人才和考古事业“双向奔赴”的新路径。

追寻历史跫音,需要耐得住寂寞、守得住初心,离不开情怀与奉献。越是这样,越应该关心爱护考古工作者,通过完善人才激励机制、改善工作生活条件、搭建科研交流平台等,让考古、文保领域成为有吸引力的选择,进而确保人才招得来、留得住、用得好。有情怀但不止靠情怀,讴歌奉献也给奉献者更多关怀。做好相应保障、提供成长空间,这样才能让更多有兴趣的考古人才投身进来,保持考古人才队伍稳定,助力考古学持续焕发生机。

去年是中国现代考古学诞生100周年。百年来,中国考古从无到有、从弱到强,斐然成就背后,离不开几代考古人的接续奋斗。吸引更多有兴趣的人才,守住文物研究之“事”,留住基层文保之“根”,才能更好探索未知、揭示本源,更充分展示中华文明风采和弘扬中华优秀传统文化,为强国复兴注入强大精神力量。

这正是:

文物绚美奇绝,保护呕心沥血。

壮大人才队伍,不负千年之约。

人民网



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