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袁训来:追寻地球早期生命的轨迹

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袁训来:追寻地球早期生命的轨迹

新华社南京 11 月 28
日电记者从中科院南京地质古生物研究所获悉,该所研究人员与英国、瑞典、瑞士学者合作,在我国贵州瓮安生物群中发现一类
6.1
亿年前的胚胎化石。这是迄今人类发现最古老的与动物相关的胚胎化石,为揭开动物起源之谜提供了重要新线索。

  我们是谁?我们从哪里来?要到哪里去?

■本报记者 郑千里 通讯员 陈孝政

相关研究成果于 28 日发表在国际知名期刊《当代生物学》上。

  “要回答这个终极问题,就必须追寻生命起源与演化的轨迹,而线索就在以化石形式保存的古老的岩石中,这就是我们研究化石的意义”,长期寻找和研究化石,已成了陈雷人生最大的乐趣和追求。

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现代多细胞动物包括 30
多个门类,有研究表明,多细胞动物的祖先由更古老的单细胞生物演化而来。然而这一关键变化如何发生,一直没有确凿答案。科学界普遍认为,对动物早期胚胎的研究或将成为解开这一谜团的钥匙。

  研究化石,是别人眼中艰苦枯燥的工作,我校地科学院教授陈雷却甘之如饴。他的科研成果曾经引起全球古生物学界的轰动,为寻找地球上动物的“祖先”,他长时期的和石头打交道,探寻动物和多细胞生命起源以及早期演化的证据。

袁训来在“劈开”石头,寻找化石。

此次发现的胚胎化石名为 “笼脊球”,化石整体呈球形,单个直径不足 1
毫米,保存了精美的多细胞结构。研究人员采用三维成像技术,重构出数百个笼脊球标本的立体结构。结果显示,这些笼脊球在充满营养物质的厚壁囊包中发育,发育过程既类似动物的单细胞近亲,又更为复杂,显示出有规律的细胞迁移、重组等动物胚胎特有的发育机制。

新萄京娱乐app ,  2019年,陈雷入选山东省泰山学者青年专家计划,成为泰山青年学者。他到底在做着怎样的研究,怎么在石头中寻找远古生命演化的轨迹,近期记者对其进行了专访。

微体古生物研究室主任袁训来研究员的办公室,在中科院南京古生物所一栋被称为“大楼”的民国建筑中。在这里,袁训来和他的早期生命研究团队,完成了被称作“迄今最早的宏体生物”的蓝田生物群等的一系列研究成果,为人类了解地球最早生命打开了一扇又一扇新窗口。

“笼脊球化石记录了动物由单细胞向多细胞演化的关键一步。正是这一步,为真正有细胞和组织分化的动物出现奠定了生物学基础。”
参与此项研究的中科院南古所副研究员殷宗军说。

发现石头中的秘密

始终没有找到下“蛋”的“鸡”

  有趣,是学生陈涛评价陈雷的最多的一个词。“上陈老师的课,慢慢就会觉得有趣,陈老师在上课时经常让我们想象一下,是否有外星人存在?几百万年后动物会变成什么样?几千几万年后山东科技大学这片土地会变成什么样?”这些问题,让枯燥的古生物课变的有趣起来。

袁训来与蓝田生物群的不解之缘,要从1994年开始说起。那年夏天,在中科院地质研究所研究员陈孟莪的指引下,从北大毕业到古生物所工作还没多久的袁训来,第一次来到安徽省休宁县的蓝田镇。当时他每天的工作就是带着榔头,到山边露出的石头中敲化石,采集到了一些典型的扇状和丛状藻类化石。

精美的石头会唱歌。

1995年,袁训来赴加拿大做访问学者,觉察到早期生命研究在中国大有可为。1997年,回国后的袁训来再次来到蓝田,采到的化石也比第一次更加丰富。袁训来和同事们对化石进行较为详细的研究,研究成果整理成了英文文章,1999年发表在国外的学术刊物上,对该化石生物群进行了简单的属种报道。

  “要知道有意义和有趣,才会全身心地投入到这项工作当中去。”陈雷从事的是多细胞生物起源和早期演化方向的科研工作,聚焦在动物起源的研究,是国际上研究动物起源最顶尖研究团队的主要成员。

此后的近十年中,袁训来的注意力,主要集中在贵州的“瓮安生物群”。瓮安生物群是个磷酸盐化保存的化石生物群,早在1987年,袁训来还是北大地质系的一名硕士研究生,在张昀教授指导下,毕业论文研究的就是这个生物群,瓮安生物群也是他在1993年命名。

  他告诉记者,读史可以明智,鉴以往可以知未来。“我们从哪里来,要到哪里去”,这个问题只能在古老的岩石中寻找答案,而研究化石是唯一的方式,我们可以去复原在地球长达46亿年漫长的岁月中,环境是怎么变化的、生命是怎么演化的。只有对地球和生命的历史有一定的了解,我们才能更深刻地认识当今世界,他给记者举例说明自己的研究领域,“我们都知道人是由动物是进化来的,那么动物的祖先起源于何时?它们是什么样子的?这些都需要从化石中去寻找。我的研究领域就是聚焦动物起源问题。”

1998年,两篇具有重要影响的论文,分别发表在英国《自然》和美国《科学》杂志上,宣称在瓮安生物群中发现了动物胚胎化石。该生物群亦成为国际学术界研究动物起源和早期发育的热点。这些动物胚胎化石保存非常精美,甚至保存了受精卵的细胞分裂过程:一个细胞分裂成两个,两个变四个,四个变八个……

科研成果获得轰动

虽然瓮安保存了大量的胚胎化石,或称为动物下的“蛋”,但动物的成体却一直没有找到。是啥动物留下了这些胚胎?下这些“蛋”的“鸡”长的啥样?袁训来等人对瓮安生物群重新展开深入研究,试图找到这些下“蛋”的“鸡”。

  纸上读来终觉浅,绝知此事要躬行。深刻地意识到所从事工作的价值和意义,陈雷将自己的事业当成是一种使命,工作起来格外热情洋溢,尽管实际研究中需投入大量艰辛的努力。

围绕着瓮安生物群进行十多年的深入研究,虽然发现了很多的重要生物化石,比如,最古老的地衣化石(论文2005年发表在美国《科学》杂志上,把这类生物的最早化石记录提前了近两亿年,证实了之前的推测:现代分子生物学最早的地衣和真菌的起源,时间发生在六亿年前。相关成果被评为2005年度“中国基础研究十大新闻”)等,但是,他们始终没有找到下“蛋”的“鸡”。

  陈雷的博士生导师袁训来曾回忆过,陈雷在读博期间,很想把距今约6亿年的瓮
安生物群中的胚胎化石当作自己的研究方向,但是他一开始并不建议陈雷这样做。因为袁训来长期从事瓮
安生物群的研究,该生物群就是他命名的,他很清楚这一研究课题具有极大的挑战性。十年来,国内外有多个研究团队,包括哈佛大学和北京大学、中科院南京地质古生物研究所在内的众多优秀科学家都在进行胚胎化石的研究,在英国《自然》和美国《科学》两本刊上就有6篇有关瓮
安胚胎化石研究的论文。因此,要在该研究上有所创新和突破难度非常之大。

揭开蓝田生物群研究新序幕

  尽管如此,陈雷感兴趣的研究仍然获得了导师的鼓励和支持。但是要挑战一个研究程度已经很深入,并存在很多争议的研究方向,谁都没有把握。袁训来后来对他提出三条建议,其中包括用古生物学最为传统的磨片法进行研究,要比其他人有更大的工作量,磨制比以前总共数量都要多的岩石切片。陈雷没有退缩,而是投入更多心血,认真刻苦的开始研究。

直到2009年秋天才出现转机。袁训来此时已获得国家“杰出青年”基金,且得到中科院创新项目和科技部“973”计划项目的支持,科研经费有了保障,团队成员也有更丰富的研究经验。2009年秋,袁训来带的团队再次回到蓝田,与前两次的情形不同,这次他们带着明确的科学目的重返。

  在观察一千多个岩石薄片后,陈雷发现了奥秘。

带着寻找下“蛋”的“鸡”这一明确的目标,在蓝田地区开展大规模化石挖掘时,袁训来想:河对岸的山坡上也有类似的地层出露,那里视野开阔,也许可以进行大规模的化石挖掘。

  多年以前,中国瓮
安生物群走进了全球古生物学研究的视野。“寒武纪动物的祖先是什么样子的?它们又是如何演化的?瓮
安生物群就是找寻动物祖先的关键化石窗口。”陈雷告诉记者,瓮
安生物群化石精美,但由于这些化石结构简单,有关它们的血缘归属问题仍迟迟未能解开。这些胚胎化石到底是动物呢,还是团藻,还是动物胚胎?这些史前来客的身份一直神秘莫测。

化石采集从10月底一直进行到冬天。皖南普降大雪,袁训来和课题组的陈哲、王金龙一直在野外挖掘,感觉这些六亿年前的生物虽然早已变成了化石,好像今天不把它们挖掘出来,明天就会跑掉一样,直到春节前三天,大雪封门,挖掘点全被大雪覆盖才回南京。

  陈雷发现胚胎化石基本形态尽管与以前报道的胚胎化石极为类似,但其中有40多个胚胎化石内部具有细胞分化为繁殖细胞和营养细胞,以及细胞凋亡的特征,充分表明这些“胚胎化石”属于多细胞复杂生物。从而可以做出推断:这些胚胎状球形化石可以确切地归入有细胞分化的复杂多细胞真核生物。

正月十五一过,袁训来团队再次回到蓝田,寻找更多“最早动物”的证据。从事早期生命研究的国际知名学者、美国弗吉尼亚理工学院肖书海教授闻讯专程从美国赶来,到蓝田的现场看了剖面和化石,与袁训来讨论这些化石的科学意义,以及如何写文章向国际学界公布。很快,他们将论文初稿投到了英国的《自然》杂志。

  陈雷的发现,把人类对这些约6亿年前的史前来客的认识再向前推进了一步。

探秘早期地球生命的“巨人”

  该发现清晰地显示了在6亿年前,多细胞生物体内已经同时具有营养细胞和生殖细胞的分化以及细胞阶段性死亡的现象,这些特征为多细胞生物进行组织分化、器官分化、以及形态多样性出现奠定了生物学基础。

袁训来等人得出的结论比较“大”,文章投到《自然》杂志后,杂志的编辑非常谨慎,提出疑问:蓝田生物群的层位是否这么老?证据是否充分?袁训来他们早就考虑到这些疑问,前期已做了大量的基础性工作,只是有些辅助性的证据当时没有写入论文。现在既然编辑提到了这些问题,很快准备好了补充材料,作为论文附件提交给了杂志。

  这一发现取得了轰动。

2011年2月17日,正是元宵节。袁训来团队关于蓝田生物群研究的文章正式在英国《自然》杂志网站在线发表。杂志还邀请了世界上著名的早期生命研究专家、加拿大的格:纳波尼教授在杂志同期撰文进行了评述,对该项研究成果进行了高度评价,指出“它们是地球上迄今最早的宏体生物”,“蓝田生物群为早期复杂宏体生命的研究打开了一个新窗口”。

孜孜不倦醉心科研

2011年6月,南京古生物所和安徽休宁县政府共同举办了“蓝田生物群”现场研讨会,丁仲礼院士会同国土资源部、科技部、国家自然科学基金委有关领导,休宁县地方领导,以及相关专家学者对该生物群的研究前景和化石保护进行了专题研讨。

  在地科学院基础地质系主任毛光周的眼中,陈雷给他印象最深刻的是“对化石研究热爱、执着”。

野外考察那天,天空飘着细雨,看着剖面上原地保存的化石,大家不禁疑问:“这些化石看上去并不怎么起眼啊?”袁训来说:这些化石确实不显眼,只有几个厘米大小,但在它们生活的那个时代,却代表了当时地球上最高等的生物,是地球上的“巨人”,之后的生物才逐渐变得更复杂,个体也更大些。

  有一次,毛光周和陈雷一起去野外探勘。他发现“对于有化石保存潜力的地层,陈雷一定会仔细观察,并做好相关记录,对发现的化石标本会精心包裹,以备后期研究”。而在平时和陈雷的接触中,毛光周发现,“陈雷紧跟学术前沿热点,关注最新研究进展。如果想查询有关前寒武纪化石的最新书籍、文章,陈雷一定会给你一些必要的帮助。”

描述蓝田生物群的科学意义,袁训来写了首打油诗:“微小生命,幸运地,度过了冰河时代;此刻,她们已然长大,在温暖、安静的海水中繁衍生息。海藻和动物们,和睦相处、生死相依;也许,最古老的‘伊甸园’,就在这,阳光明媚的海底……”

  获知泰山学者评选结果后,毛光周特意发信息恭喜了陈雷。“泰山学者是山东省学术研究者最高的荣誉称号,只有在研究领域取得重大突破性成果或做出突出贡献的学者才能获得此称号。这个称号既是一种奖励也是一种鞭策。”

在中科院项目等的支持下,袁训来团队继续对蓝田生物群开展深入细致的基础工作,近年来相继在国内外杂志上发表了一系列的重要研究成果,对蓝田生物群的古海洋环境、生物繁殖方式等进行系统的探索。2013年,袁训来团队对“埃迪卡拉纪蓝田生物群”的研究成果获得了江苏省科学技术奖一等奖。

  但毛光周并没有像外界那样因为陈雷如此年轻就获得这个称号而感到惊讶,毛光周表示:“可能是我比大家更早一点了解到他。付出总是有回报的,泰山青年学者的荣誉可能是目前对陈雷学术和工作最好的评价。”

蓝田生物群的研究,从头到尾都是中国学者独立完成。“运气属于有准备的人”,袁训来2009年的发现看似“偶然”,其实离不开他善于钻研的个性,以及长期从事古生物学工作的知识积累。

  除了醉心科研,陈雷也是学生的良师益友。学生陈涛表示,“没有陈老师的启蒙,我不会喜欢上古生物这一行,也不可能带着兴趣做枯燥的化石研究工作。”

《中国科学报》 (2015-06-29 第7版 学人)

  陈涛在大二暑假的时候开始实习,陈雷安排他到莱阳白垩纪国家地质公园实习,并参加为期两周的化石挖掘工作。陈涛回忆,“野外实习是艰苦的,但带着发现远古生命的乐趣做这件事就是有趣的。两周时间不长不短,我们在莱阳采集了上百块昆虫化石,包括莱阳蝽、隐翅幽蚊成虫及幼虫、长肢裂尾甲成虫及幼虫等。实习结束临近开学,陈老师亲自前往莱阳将我们接回学校。”

  带学生、做科研,十余年坚持在化石研究上。一项项科研成果见证了陈雷背后的故事:

  近两年陈雷在山东临沂地区和胶东开展了大量野外工作,联合弗吉尼亚理工学院肖书海教授和中科院南京地质古生物研究所尹磊明研究员等对山东新元古界土门群进行了详细勘探,实测剖面3条。年代地层学方面,采集6层碎屑锆石进行测年,确定了其属于新元古代。生物地层学收获最大,通过系统采样,用酸蚀法对100多个样品进行处理,获得了大量疑源类化石,其中许多类型,尤其是带刺疑源类Trachyhystrichosphaeraju首次在土门群发现。相关文章已被高水平SCI杂志Gondwana
Research接收……

  为了激发学生兴趣,还成立古生物兴趣小组,组织多次野外实践。与科学院南古所合作者联合培养学生3名,指导三名本科生以第一作者完成5篇SCI论文。指导学生获得李四光优秀学生奖,指导学生参加第十五届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛获山东省特等奖,全国二等奖。陈雷也因此获评了山东科技大学学生科技创新优秀指导老师,以及挑战杯山东省优秀指导老师称号。

梅花香自苦寒来。就像陈雷的同事毛光周述说的那样,“喜欢才会有兴趣,孜孜不倦才会有结果,陈雷获得泰山学者荣誉称号一定会在学术研究上对年轻的教师起到促进作用。我们也希望更多的陈雷们在学术研究上取得更加突出的成果!”

     

附报导连接:

《山东科大报》2019年第16期:

网易新闻:

鲁网:http://qingdao.sdnews.com.cn/jy/201906/t20190613_2568286.htm

大众网:http://qingdao.dzwww.com/jiaoyu/jiaoyuzixun/201906/t20190613_16950134.htm

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