前沿拓展：雙鴨山友誼縣種植牙多少錢
北京日報 | 記者 劉蘇雅
約4.36億年前，在華南大陸揚子海邊緣，一個魚群正在海底暢游、捕食。然而，致命危機突然降臨，地震，或是上游涌入河口的洪水，短時間內(nèi)帶來了大量泥沙，迅速將體型不過幾厘米、在水底附近活動的魚類等生物“封存”，化石中小魚掙扎的姿態(tài)被瞬間定格。
滄海桑田春復秋。2019年，地質錘一次不經(jīng)意的敲擊，找到了重慶特異埋藏化石庫這一魚類化石“寶庫”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隊尋遍全國，終于發(fā)現(xiàn)了這個志留紀早期的“水族館”。而被“定格”在此的古魚類，就是人類等脊椎動物遙遠的祖先。這一發(fā)現(xiàn)，填補了“從魚到人”演化史上初始的空白一頁。
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)朱敏團隊的四篇論文，讓我們終于得以窺見上古時代“魚類黎明”的一角。
朱敏院士 蘆濤攝
團隊正在野外工作。
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大地。而他的“尋寶”目標，卻是脊椎動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，為脊椎動物稱霸世界起到了關鍵作用。生活在水中的無頜類動物可以借助水流，把食物直接吸進嘴巴，但在陸地上，動物必須擁有主動攝食的能力才能生存，這樣一來，擁有靈活的上頜和下巴極大增加了動物的演化潛力，為它們登上陸地做好了準備。
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晚期就已出現(xiàn)，因此在后續(xù)的志留紀地層，理應存留著有頜類化石。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晚期，有頜類的早期演化存在一段綿延近3000萬年的化石記錄空白，美國古脊椎動物學家阿爾弗雷德·羅美爾曾稱其為“古生物學史上一個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、摸不到，究竟到哪里才能找到它們？我國志留紀地層主要包括下紅層、上紅層和羅德洛統(tǒng)紅層，在多個省份均有分布，我國科研人員早在上世紀60年代起，就開始在全國范圍內(nèi)搜尋線索。追尋著老一輩的足跡，近十年來，朱敏帶領團隊踏遍了我國志留紀地層可能含魚的200多個地點，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?！边@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)。對此，古脊椎所副研究員朱幼安已習以為常：“我們就是把野外工作當成必須完成的任務?！?/p>
朱敏團隊就這樣找了十多年，雖然也在湘西地區(qū)的志留紀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，無法復原古魚類的結構、推斷它們的演化歷程?！拔覀儧]法判斷一枚鱗片究竟長在魚的哪個部位，如果用它來做復原，就是盲人摸象。”朱敏說。
“靠證據(jù)說話”，是古生物學研究的信條。為了尋找證據(jù)，朱敏將目光投向了更古老的地層，但地層時間越久遠，保存下來的化石就越少。多年來，團隊獲取到的化石在形成年代上沒有實質性突破，始終徘徊在志留紀晚期，難以向前推進。
在石阡縣一條新修通的公路旁，朱敏團隊開啟了科研的“幸運之旅”。
2019年2月，是近十年來朱敏第三次到石阡地區(qū)開展野外工作。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，團隊成員、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早期的“時光隧道”。
回憶起重慶特異埋藏化石庫的發(fā)現(xiàn)過程，團隊成員每講一次都難掩激動：“我們原本的目標并不是那兒，之前已經(jīng)在野外工作了大半個月，當然和往常一樣，并沒有什么重要的發(fā)現(xiàn)，還是挺泄氣的。”
但事情的轉折總是藏在不經(jīng)意的決定中。朱敏在查看地圖時，發(fā)現(xiàn)周邊有一處2018年新修成的盤山公路——川河天路，當即決定實地去看一看。
天路蜿蜒而上，在修建過程中產(chǎn)生了大量新斷面和碎石，從山腳駕車而上需要經(jīng)過45個大彎道，當?shù)胤Q其為“川河蓋45拐”。團隊一路向上而行，不時停下來，掏出地質錘對路邊的碎石敲敲打打。就這樣走走停停到了第38拐，依然沒有任何驚喜。此時大家已經(jīng)工作了一整天，都疲憊不堪，一位隊員在采樣過程中，開玩笑地踢向旁邊同伴。原本只是想調節(jié)一下沉悶的氣氛，沒想到同伴側身一閃，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，于是團隊為其取名“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晚期，并沒有在化石時代上達成突破，但這是一條重要的化石線索。朱敏團隊在這里扎了根，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?！罢媸腔铎`活現(xiàn)啊！”仔細端詳著清理完成的化石標本，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接連出土。
隨著樣本收集的深入，感到無比慶幸。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化?！伴_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了?！?/p>
“可遇而不可求。”這是朱敏對團隊這一發(fā)現(xiàn)的概括?？雌饋碛行罢`打誤撞”的科考過程，其實隱藏著必然，一次次的走訪、一錘錘的敲擊，終于推開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，再用地質錘小心地一層層敲開，尋找化石的蹤跡。這需要一雙“火眼金睛”，現(xiàn)場拍攝到的化石原始樣本照片幾乎沒有任何特點，看起來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”。
珍貴的標本被他們小心地收集起來，不過，研究的重頭戲，還是要回到實驗室里。
在貴州石阡采集到的重達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”。這項工程，5個人足足做了一年半。
巖石先要經(jīng)過醋酸的洗禮。經(jīng)過兩次酸處理，這批巖石中的雜質被徹底除去，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”，一點點篩選樣品。
端坐在顯微鏡前的500多個日夜，一無所獲是常態(tài)。但做古生物研究，必須適應心態(tài)的落差，坐得住“冷板凳”。
終于，好消息傳來，在石阡縣志留紀地層采回的4噸魚類微體化石樣本中，科研人員先后發(fā)現(xiàn)了23枚長度僅有2毫米左右的雙列黔齒魚牙齒標本，總重量僅有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結構和發(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)的化石處理帶來了挑戰(zhàn)。距今4.36億年的志留紀早期，大氣含氧量低，重慶特異埋藏化石庫出土的古魚類化石體長不過3至4厘米。要想細致重建它們的身形，需要更確切的形態(tài)信息，這也意味著在處理化石時，需要更加精細。
處理大型的恐龍化石，操作可以大開大合，用氣動筆打磨掉周圍的巖石，就能相對輕松地露出化石。而朱敏團隊在處理這批古魚類化石樣本時，用的是比縫衣針還要尖細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，很多微小結構已經(jīng)接近粉砂巖粒度保存精度的上限，操作時，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。”化石清修人員抱著“寧可不修，也不能修壞”的原則，邊觀察、邊修理，每塊化石的處理過程短則一周，長則一兩年。
在古脊椎所的實驗室里，既有這些傳統(tǒng)的“手藝活兒”，精密設備也不少見。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)過反復研究，科研人員發(fā)現(xiàn)，挖掘、切割會讓化石順著骨骼裂開幾微米寬的縫隙。就是依靠這些肉眼都無法看到的裂縫，他們利用高精度CT掃描技術，精細描繪出了化石內(nèi)部的骨骼形態(tài)信息，完成了三維模型的重建。全光位技術也被應用在古脊椎動物研究中。四十多個光源依次從各個方向順序照過化石表面，在計算機軟件中合成之后，化石表面的細節(jié)纖毫畢現(xiàn)，比頭發(fā)絲還要細小的結構也能清晰地展現(xiàn)出來。這項技術曾經(jīng)被用在法醫(yī)、考古等領域，觀察指紋、筆記、銘文等細微痕跡。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，通過操縱虛擬光源的方向和強度，檢驗形態(tài)信息和解釋是否準確。
通過這些的數(shù)字技術，科研人員將這批從未被發(fā)現(xiàn)過的古魚類進行了精巧3D可視化復原。在復原圖像中，它們仿佛又“活”了過來，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程，也有了直觀的化石依據(jù)。
化石證據(jù)刷新世界認知
奇跡秀山魚結合了盾皮魚類幾大類群的特征，預示著有頜類頭骨由盾皮魚類向硬骨魚類的轉變，它將完整有頜類化石記錄前推了1100萬年；“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，實現(xiàn)了我國志留紀-泥盆紀軟骨魚類化石發(fā)現(xiàn)“零的突破”；在靈動土家魚化石的腹部，一對寬度不足1毫米、縱貫全身的腹側鰭褶清晰可見，這個器官經(jīng)過漫長的演化過程，終演化為了脊椎動物的四肢……
手握重磅成果，朱敏團隊信心滿滿。沒想到，這批論文投稿的過程和他們想象的完全不同，可謂是一波三折。
對“有頜類古老牙齒”的研究論文先成稿，卻在前后幾個月里，收到來自《自然》《科學》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，雜志編輯意識到了它們的科學價值，認為這是“一個完全出乎意料的特異埋藏”，這才將其“救”了回來。
通過了編輯的第一關，后面還有著重重考驗。在團隊成員看來，雜志編輯和審稿人看到這些如此重要的化石標本，應該是“五體投地、佩服之至”，迅速安排版面發(fā)表論文。“但我們收到的，是來自審稿人一輪又一輪的‘鞭打’?！敝煊装残Φ?。
非凡的結論，要有非凡的證據(jù)。審稿人發(fā)來的郵件中，開篇雖稱贊了朱敏團隊的研究成果是“peerless（無與倫比的）”，但后面緊跟著的，便是密密麻麻的20多條審稿意見。朱幼安回憶：“我們往下翻著郵件，一頁接著一頁，興奮感一下就被澆滅了。審稿意見說，這里和過去的理論不符，請詳細說明；這張照片不清楚，那張更不清楚，請全部重新拍攝；這一段請全部刪去……”
論文正文不過4000字，但對第一輪審稿意見的回復，團隊就寫了8000字，緊接著是第二輪、第三輪……通常三輪交鋒結束，審稿人就會作出采納與否的結論，但這次，他們又迎來了第四輪。
期間，全光位技術“立了功”。通常在論文中，科研人員只會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，帶來可重復性、可檢驗性等問題。這次，朱幼安用一個月重新拍攝整理了化石的全光位圖片，順利過了關。
經(jīng)過10個月的四輪審稿，審稿人終于發(fā)來了確認郵件：“The revision is completed。（修改完成。）”此時，朱幼安已經(jīng)心靜如水，因為他知道，自己能夠回答審稿人對這篇論文提出的任何問題。
其實在朱敏看來，答復審稿人看似苛刻的提問，是科研工作的必要一環(huán)。如果研究本身足夠細致，證據(jù)經(jīng)得起任何考驗，文章即使流傳幾十年、上百年，也能“立得住”。
更讓團隊自信的是，剛剛發(fā)表的這批成果，只是對有頜類早期演化的“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開始，這批論文僅描述了其中復原的3條古魚類，現(xiàn)在團隊已初步整理出十余個魚類屬種，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是繼澄江生物群、熱河生物群之后，又一個在我國發(fā)現(xiàn)的、為探索生命之樹演化重要節(jié)點提供大量關鍵證據(jù)的特異埋藏化石庫。它證實，遲在4.4億年前，有頜類各大類群已經(jīng)在我國華南地區(qū)欣欣向榮。到志留紀晚期，更多樣、更大型的有頜類屬種出現(xiàn)并開始擴散到，開啟了魚類登陸并終演化為人類的過程。對它們的詳細研究，將持續(xù)改變我們對頜起源與有頜類早期演化的認識，“我們還是要不斷地追索、找尋”。
5種志留紀古魚新屬種的三維藝術復原，從上到下分別為蠕紋沈氏棘魚、新塑梵凈山魚、雙列黔齒魚、靈動土家魚和奇跡秀山魚。（擬石科技制作）
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