活着的秘密,科学家发现寒武纪


时间:2011-03-13 16:31:17 来源:不详

刘建妮:揭开化石中“活着的秘密”

西北大学早期生命研究团队:书写学界“传奇”

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如今种类占据绝对优势的节肢动物是如何由软体的蠕虫演化而来呢?中国科学家的最新研究表明,他们发现的一种5亿多年前的叶足动物——“仙掌滇虫”可在海底行走,属于首次发现的具有“节肢”的虫子,从而有望揭开节肢动物的起源之谜。

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新蠕虫状动物复原图图片来源:《科学报告》

这一成果公布在2月24日出版的英国《自然》杂志上。以封面论文形式发表的《中国发现具有“节肢”的早寒武世叶足动物》,是由西北大学早期生命研究所青年教师刘建妮博士等人在早期动物起源演化研究上的又一突破性成果。

■本报记者 张晶晶

2017年1月30日,也是丁酉年鸡年的正月初三,国人沉浸在过大年的喜庆之中。喜上加喜,远在不列颠的英国《自然》杂志(Nature)以亮点封面论文的形式线上发表了韩健研究员为第一作者、中国科学院院士舒德干教授为通讯作者的西北大学早期生命研究团队和英国剑桥大学、中国地质大学等单位关于早期生命研究的又一重要成果:发现了最古老的原始后口动物——冠状皱囊动物。

《科学报告》近日发表的一项研究描述了寒武纪(5.41亿~4.85亿年前)叶足动物的一个新物种——一种具有柔软附肢的蠕虫状动物。研究人员将这个命名为Lenisambulatrixhumboldti的新物种与之前描述过的叶足动物仙掌滇虫(Dianiacactiformis)进行比较,发现了一些新细节。

着名古生物学家、西北大学教授舒德干说,具有“节肢”的虫子——“仙掌滇虫”尚未演化出头部,躯干也是柔软的,分节不明显,但其众多的“脚”已出现分节。它展示了软体虫子向硬体动物过渡的明显过程,可谓找到了节肢动物的直系始祖,从而首次揭示了“原口动物亚界”中最令学术界困惑的起源谜团,即节肢动物门的起源与早期演化难题。

除了细腻敏感之外,刘建妮骨子里的冲劲儿、韧劲儿,是她前行路上的原动力。

这种奇特的微型动物很可能就是学术界期盼已久的后口动物亚界的一个根,因而代表着显生宙最早期毫米级人类远祖的至亲。

中国地质大学欧强团队指出,两种叶足动物的身形和躯体分节都很相似,都有较厚较长的附肢,长度约为11.6~18毫米。与其他叶足动物不同的是,两个物种似乎都无爪。不过,仙掌滇虫的躯干表面布满刺状铠甲,故其绰号为“行走的仙人掌”,但L.humboldti的整个躯体似乎并无盔甲。

节肢动物门是现生动物中分异最大、属种数量最多的一个动物门:她所拥有的物种数比地球上其余30多个动物门的物种总和的4倍还要多。于是,这个在地球生态系统中扮演着极其重要角色的门类的起源,一直是众多进化生物学家最为关注的科学命题。

1月16日,第十一届“中国青年女科学家奖”颁奖典礼在北京举行。据悉,本届中国青年女科学家奖共有111个单位和22名专家推荐、提名有效候选人183人,最终入选者10名。其中,来自西北大学地质学系的刘建妮教授是最年轻的一位,年仅36岁。

又一次让人“惊奇”的创新发现

新物种的躯体有分节、呈管状,与蠕虫类似,且每个体节都有一对附肢。新物种躯体只有一端得以保存,且并未发现如眼睛、嘴巴或触须这些可以确定此端为头部的显著特征;而假定为仙掌滇虫头部的部位则具有明显的类似头盔的结构。

节肢动物门主要包括昆虫类、蛛形类、甲壳类和已经绝灭了的三叶虫类。尽管其形态极其多样,但身体主要由头部、分节的躯干和分节的附肢三个基本单元构成。现在,生物学家和古生物学家已经取得共识,节肢动物门最初应该是由某一类无头、躯干不明显分节、附肢也不分节的称作“叶足动物”的古老蠕虫进化而来的。然而,学者们仍不清楚的是,到底是哪一类叶足动物首先迈出了通向节肢动物演化坦途的第一步?这“第一步”到底是先形成了头部,还是先着手躯干分节,或者先从附肢分节起步?人们都在期待远古化石能给出明确答案。

刘建妮长期致力于节肢动物的起源探索,因而跟化石结下了不解之缘。2006年,她在我国云南澄江化石库发现了一些造型奇特的古生物化石。经过5年的研究,她撰写的分析节肢动物门起源与早期演化的论文以封面文章的形式发表在国际顶尖学术杂志《自然》上,初步破解了长期困扰学术界的科学难题。

该论文一经刊发,就在国际学界引起不寻常的反响,以BBC和《纽约时报》、新华网、科学网等为代表的国内外250多家媒体,甚至宗教媒体《基督教箴言报》都以新闻头条进行报道。该文的媒体影响因子达到了2136点,这样的记录世界上并不多见。

研究者表示,从两个物种的形态特征可以大致判断出它们曾经可能的生活方式。因为两者都是海洋栖息动物,它们的无爪附肢可能是为了适应在柔软的海底行走或爬行。仙掌滇虫的厚重铠甲可能有助于防御捕食者的攻击,而L.humboldti的躯体较柔软,或表明其个体曾过着隐居生活,藏于缝隙或海绵群体中以抵御被捕食的风险。

6年前,刘建妮、舒德干等人发现了一种最先出现成对眼睛、因而开始头化,但其躯干和叶状附肢皆未分节的“神奇罗哩山虫”。尽管这一重要发现可能代表了节肢动物与叶足动物之间的某种中间类型,但它只不过是一个旁支,走进了演化的死胡同。于是,现代生物学家依据生命演化中常见的“先主体,后附件”的现象推测,叶足动物门向节肢动物门进化的顺序很可能是“先躯干节化,后附肢节化”。

从活的生物到死的石头

“英国皇家学会院士理查德:道金斯(Richard Dawkins)在其著作《祖先的故事》中就指出,澄江动物群中珍稀的脊椎动物化石证据——天下第一鱼‘昆明鱼目’,十分接近5.2亿年前刚刚创造出头脑和原始脊椎的“宏型”人类“第十八代”祖先。”而在更广泛的后口动物亚界范围内,5.35亿年前的皱囊动物应该与创造鳃裂雏形的毫米级微型人类远祖亲密相关。如果将澄江动物群中的后口动物大爆发比作一挂鞭炮燃起的话,此次皱囊动物的发现,相当于找到了这挂鞭炮的引线。”5月4日,舒德干院士向由陕西省委科技工委、省科技厅组织开展的“陕西省重大基础研究成果宣传采访系列活动”的媒体记者们介绍和科普时如是说。

相关论文信息:DOI:10.1038/s41598-018-31499-y

如今,本文报道的从云南澄江化石库中发现的叫做“仙掌滇虫”(因其外形酷似云南具刺的仙人掌而得名)的叶足动物化石颠覆了这一猜测,因为该奇特叶足动物虽然没有明确的头,其躯干也没有明显分节,然而其附肢的骨化分节却与节肢动物几无差异。无疑,这种能在远古海底行走的动物“仙人掌”,应该代表着由古老叶足动物向节肢动物过渡的一种关键的珍稀缺失环节。直白地说,它就是一种学界期待已久的曾经淹没在远古历史尘埃中节肢动物始祖。

虽然现在在古生物研究上取得了不俗的成绩,但是,立志之初,刘建妮的理想却并不在此。

据了解,这是西北大学早期生命研究团队在NatureScience上发表的第13篇论文,其中3篇为Nature期刊中的Article论文。

西北大学早期生命研究所所长舒德干教授告诉记者,这一发现提供了节肢动物始祖最初创新“节肢”的真实证据。节肢动物自从拥有了分节附肢,便恰如虎添翼,它们有的跑得更快了,有的跳得更高了,行动更灵巧了,有的甚至还学会将分节附肢改造成极为有效的捕食工具或性选择的得力

“我生长于秦岭农家,小时候的生活无忧无虑,经常满山遍野地窜,只为观察蝴蝶的翅膀在太阳下透出的迷人色彩;拿起小棍翻动地上的树叶,寻找形态迥异的昆虫,这些都是常有的事儿。”在接受《中国科学报》记者采访时,刘建妮回忆说,正是儿时那纯真的热爱和强烈的求知欲,激发起了自己对于生命研究的浓厚兴趣,并将之延续为自己为之奋斗终生的理想。

国际学科前沿有影响的杰出创新团队

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学生时代的刘建妮勤奋好学、成绩优异,所有科目中最喜欢生物。加上从小贪玩调皮,尤其喜欢花鸟虫鱼等各种活物,高考时她毫不犹豫地选择了生物系。

可以说,这是我国乃至世界地学界、古生物界的一个具有不平凡成就的传奇团队。

1997年,刘建妮考取西北大学生物系生物学专业。4年后研究生入学考试时,她本来一心要读自己喜欢的动物生态专业,却不想复试时被拦在门外。理由让她哭笑不得,并不是成绩不够格,也不是面试成绩不好,而是导师觉得女孩子无法一个人在野外观察动物生态。

目前西北大学早期生命团队由舒德干院士、华洪教授、张兴亮教授、韩健研究员、张志飞教授、刘建妮教授等人组成。

研究对象从活的生物变成了死的石头,巨大的反差一度让刘建妮十分沮丧。“当时我非常迷茫,未来在哪里?然而,生活就是这样,当它给你关上一道门的时候,必然会为你打开一扇窗。”在22岁的刘建妮迷惘之时,导师舒德干院士带她走进了古生物的世界。

“我这一生都在学习和践行达尔文理论。求解‘我们从哪里来的答案’!”舒德干说。

舒德干鼓励她说:“化石虽然是死的,但其中隐藏了生命的奥秘,你要通过研究让它活起来!”老师的一句话让她静下心来,致力于去探索发现化石中“活着的秘密”。

距今5.2亿年的世界著名澄江生物群已经为动物谱系树的起源成型探索做出了划时代贡献。1995年之前,世界众多科学家在该生物群中发现了基础动物亚界和原口动物亚界的绝大多数重要动物门类,然而后口动物亚界诸多门类的祖先类群却一直没有露面。奇迹出现在1996年以后:由西北大学舒德干院士领军的早期生命研究团队一直在围绕着“寒武纪大爆发与动物界成型关系”这一重大基础前沿课题坚持开展广泛深入的、多学科交叉的、国际合作研究;他们陆续在澄江生物群揭示出脊椎动物、头索动物、尾索动物、棘皮动物、古虫动物等后口动物亚界几乎所有门类的原始代表,进而首次构建了完整的早期动物树框架图,并基于此提出三幕式寒武纪大爆发依次形成三个动物亚界的新假说,为人类探索早期远祖的来龙去脉提供了基础证据。近20年来,该团队先后在《自然》《科学》杂志上先后连续发表了13篇研究论文,其中2项成果先后被评列入中国十大科技进展,另2项成果被评列入中国高校十大科技进展。团队分别于2003年、2016年获得国家自然科学一等奖、二等奖;此外还获得教育部自然科学奖一等奖2 项,长江学者成就奖一等奖1项,陕西省科学技术最高成就奖奖1项。两篇博士学位论文被评为“全国优秀博士学位论文”。

从年轻“妄为”到终有所成

目前,该团队产生了3名长江学者或青年长江学者。

虽然可以一次从野外背个三十斤化石回来,但是从外表上看,刘建妮是个标准的淑女——她喜欢穿裙子,讲起话来温柔娴静,喜欢逛街,周末也总是尽量留给家人。

经国家重点学科、陕西省和教育部创新团队发展计划的培育,西北大学早期生命研究团队已发展成为在国际科学前沿上具有重要影响的“国家创新研究群体”。

造成目前女性科学家比例偏低的理由,她始终不认为性别或者基因差异,更多的是因为文化的桎梏和社会的压力。“实际上女性在科研中比男性更有优势,因为女人天生敏感,如果能在科研工作中恰当运用女性敏锐的第六感,再加上女性独有的细腻和感性情怀,对于拓展科学的想象空间是非常有利的。”刘建妮说道。

通过数十年如一日的不懈努力,该团队在古生物学研究领域已然位居全球第一方阵。他们完成了看似“不可能的任务”:地方高校不仅能做好基础科学研究,而且还能做出国际一流的成果。

这似乎道出了她自己能够取得成绩的些许原因,除了细腻敏感之外,刘建妮骨子里的冲劲儿、韧劲儿,是她前行路上的原动力。

中科院院士翟明国曾用“有信念、有坚持”评价该团队:“有信念,就是有科学理念和问题导向。他们以生命演化为核心,以生物进化链条为关键,发现问题和解决问题;有坚持,就是潜心研究,不见异思迁。”

2001年进入研究生阶段学习之后,刘建妮从事的是寒武纪叶足动物研究,2004年写成第一篇文章。当时觉得自己有了重大发现的刘建妮十分兴奋,非常自信地将文章投到了《自然》杂志,结果文章一审后被拒。舒德干安慰爱徒说,能够送审已经很成功了,已经是十里挑一的水平了。经历了这次事件,刘建妮开始沉下心来,思索良久后最终意识到自己的诸多不足。

“甘坐冷板凳,专注大学问”

2006年在云南澄江化石库发现仙人掌滇虫的化石之后,刘建妮一再提醒自己,一定要沉稳,不能再毛躁,否则不知道下一次机会何时才能到来。经过五年的不懈努力,她最终发现了这种奇特化石所传递的关键信息:化石中的叶足动物已经发育出分节的附肢,但却仍保留着柔软的蠕形躯干。确凿的化石证据表明节肢动物附肢的分节早于躯干的分节,这一发现首次初步破解了节肢动物门起源与早期演化这一长期困扰学术界的科学难题。2011年,她的仙人掌滇虫研究入选为2011年度“中国高等学校十大科技进展”,2012年入选国际十大生物新属种,并且是当年唯一一个入选的化石新属种,也是唯一一个代表中国入选的生物新属种。

“拿到这个化石的第一反应是觉得很奇特,从未见过身体和腿几乎一样粗的生物。是什么生物?”作为该团队一员的刘建妮生动地讲述了自己发现“行走的仙人掌”的故事。刘建妮曾荣获第十一届中国青年女科学家奖。

刘建妮撰写的分析节肢动物门起源与早期演化的论文,最终于2011年1月24日以封面文章的形式发表在国际顶尖学术杂志《自然》上。从年轻“妄为”到终有所成,刘建妮也是十分感慨,她说:“从发现化石到文章发表,不知不觉就进行了五年,距离我2001年入行刚好十年,也可谓十年磨一剑吧。”

2005年,刘建妮在位于我国云南澄江的寒武纪化石库中发现了一种奇特的生物——“仙掌滇虫”。它来自5.2亿年前的寒武纪海洋。在大量阅读文献的基础上,2009年刘建妮初步推断这种生物极有可能是曾湮没在远古历史尘埃中节肢动物的一个祖先。适逢刘建妮当时正好拿到德国洪堡奖学金的资助,她便携带上近40块化石来到德国,和柏林自由大学的Michael Steiner博士及柏林自然科学博物馆的Jason A Dunlop 研究员仔细观察和研究化石,终于从中找到关键的生物演化信息。

睿智但平和,严厉但幽默

他们发现“仙掌滇虫”已经发育出分节的附肢,但却仍保留着柔软的蠕形躯干,这一确凿的化石证据表明节肢动物附肢的分节明显早于躯干的分节。这一发现首次初步破解了节肢动物门起源与早期演化这一长期困扰学术界的科学难题。该研究成果于2011年1月24日在《自然》杂志以封面文章的形式刊登,在国际学术界引起了轰动。

科研之外,刘建妮的另外一个工作便是教学。在教育上,她给自己定下的目标是成为学生的良师益友,传道、授业、解惑的同时,能够和学生像朋友般平等自由地交流。

“我为了证明自己的推断,需要说明的是,从找到第一块化石到最后以论文的形式发表,整个研究工作前前后后历时六年,中间也反反复复经历了很多的失败和挫败。”刘建妮感慨地说。

澳门新萄京游戏平台,之所以立下这样的目标,主要原因是她自己从小就比较喜欢这种风格的老师——用她本人的话来形容就是“睿智但平和,严厉但幽默”。在学生们看来,刘建妮确实是一位既严厉又自由的老师:交代的任务必须在规定时间内完成,但尽可以放飞自己的思想,不必拘泥于她的思维框架。

舒德干多次对《中国科学报》记者说:“我们其实没有什么特别才智,只是有一颗坚持的心。也可以说是‘咬定青山不放松’吧!”也有人将他们的研究发现看作“好运气”,然而这好运气背后,潜藏着找寻的艰难和严密论证的辛劳,当然还有厚实基础知识的积累和科学前沿的不懈追踪。一个人、一台显微镜、上千块化石,冷板凳一坐也许就是几十年。若是没有破解世界科学难题的勇气和信念、没有韩健等人“咬定青山不放松”的执着和坚持,如“皱囊动物”这样来自5.35亿年前、仅有1毫米的远古生物,就不可能呈现在世人面前。

聊到做科研中最困难的事情,刘建妮回答说可能和其他行业的很多状况一样,莫过于“同行相轻”,而解决此类问题的最佳途径是做好自己——问心无愧做人,脚踏实地做事。在她看来,学生们如果能写出高水平的论文固然值得高兴,但是她首先希望的是学生们能够品格高尚、思维活跃,正如她对自己的要求一般。

另外,此次西北大学介绍了早期生命演化团队的优秀科研成果外,还包括西北大学教授郑晓晖的“宝葫芦”创新药,其阶段性成果“君-使对药”有效成分群辨识技术研究,荣获2014年陕西省科学技术奖一等奖;2015年初,团队关于创新药物研发思路及方法的论文在国际著名科学期刊Science“传统医药的艺术与科学”专题中发表。

这样的想法与她在德国工作期间的经历不无关联。2008年,西北大学地质系出台新政策,青年教师要晋升职称必须有半年以上的出国留学经历,而非常不幸的,刘建妮属于“西大土生土长的老土鳖”。为了今后的进一步发展,她开始着手出国申请,看中了国家自然科学基金委的公派出国名额及德国的洪堡奖学金。包括导师舒德干在内的很多同事都建议她不要申请洪堡奖学金,应该再多积累两年,而刘建妮自己觉得应该“冲一冲”了,当时她以第一作者身份发表的SCI论文已经有7篇,均获得良好的国际反响。最终她一举拿下了两个名额,一共在德国柏林自由大学呆了两年半的时间。

由此再次验证了:从事基础研究并获得重大成果的科学家都有一种“甘坐冷板凳”的精神和治学态度。板凳虽冷,但胸怀激情。

在德国的工作氛围十分宽松,工作压力较小,而且没有太多琐事,这样的工作环境令刘建妮唏嘘不已:这简直是年轻人厚积薄发的天堂。

“野外‘转山’的劳累和危险其实都不及坐冷板凳更可怕。直到有一天,我们不再觉得板凳是冰冷的了,就会发现,离我们所要追求的东西也就不远了。”刘建妮说。

虽然氛围轻松,工作上大家却也是丝毫不敢怠慢。刘建妮迫切希望带回来教给学生们的,正是德国科研工作者诚信扎实、一丝不苟的工作态度。

西北大学一直鼓励领衔专家抢占世界科学前沿制高点,通过给予持续稳定的经费等支持,让科学家心无旁骛,潜心研究,鼓励战略科学家和领军人才“甘坐冷板凳,专注大学问”,鼓励他们勇于攻克最前沿的科学难题,催生重大原创性研究成果。西北大学科研处长申烨烨介绍。在团队建设方面,西北大学突出战略科学家的“传帮带”以及顶尖基础研究团队的引领示范作用,加强团队内部“学科树”建设,让每位团队成员获得生长点与发展空间,实现个人与团队的协调与可持续发展,形成一批结构合理、素质优良的创新团队。

“诚实自不必讲,认真是我们太需要学习的东西了。柏林自由大学地质系负责扫描电镜及拍照的工程师,做事非常仔细认真,我有任何困难去找他他都很耐心负责地帮我解决。如果我们的学生做事有这种态度,那没有什么事做不成。”

“面对‘我是谁,我从哪里来?’这一经典人文命题,所有宗教流派皆不能给出真实可信的答案。唯有科学,尤其是进化生物学正在以详实的可靠证据不断接近真理,逼近历史真实。”舒德干院士讲。

日常授课之余,刘建妮还录制了网络公开课《化石趣谈》。虽然是件“额外”的工作,但她觉得做这样的科普课程可以让大众了解科学,不再是科学家们自娱自乐。录制过程并非一帆风顺,甚至可以说是非常煎熬、耗时耗力,特别是其间奶奶病逝都未能陪伴,这让刘建妮至今回忆起来内心都隐隐作痛。但让她倍感欣慰的是课程的反响非常好,收到很多网友的反馈邮件。

36年来,舒德干和他的团队,也一直用实证方法为回答“我们从哪里来?”这一经典命题做着艰苦卓绝的努力。

“最开心的是有一次我去打羽毛球,球馆看门的老大爷突然问我,你是不是西北大学的刘建妮老师,我说是啊,他说我看了你的《化石趣谈》,很生动有趣,我很喜欢,随后他还问了我几个相当专业的问题。”这次偶遇让刘建妮非常开心,“老大爷已经六十多岁了,文化程度不高,他能喜欢并且听懂我讲的课,证明我做到了普通大众的基本科普! ”

“我们将继续用不懈的努力来接近这个问题的终极答案。”

《中国科学报》 (2015-03-06 第5版 人物)

10人获第11届“中国青年女科学家奖”

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