挑戰(zhàn)進(jìn)化論的化石獵人

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童金南，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球科學(xué)學(xué)院教授，長(zhǎng)期從事古生物學(xué)教學(xué)和化石研究，潛心鉆研18年，成功協(xié)助申報(bào)地質(zhì)歷史上約2.5億年前古生代和中生代分界的“金釘子”。

化石里的十萬個(gè)為什么

古生物科學(xué)本身也有許多謎題，需要探索的東西很多。比如，以前我們看到的化石都是宏觀上的，生物得有骨骼才能形成化石，沒有骨骼化石就很難成型。但是隨著研究的深入，我們發(fā)現(xiàn)沒有骨骼的化石也能保存下來，如澄江動(dòng)物群、埃迪卡拉動(dòng)物群，有很多化石都是沒有骨骼的。做了將近40年的研究，我仍然感覺自己只是觸及到了古生物科學(xué)的皮毛，古生物化石里蘊(yùn)藏了太多故事，地球上的生命太過復(fù)雜。

我的老師——古生物學(xué)家殷鴻福院士曾帶著我研究距今大約2.5億年前的二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交，也就是古生代與中生代之交的生物大滅絕，那是地質(zhì)歷史上5次大型滅絕事件之首，其毀滅性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過6500萬年前那次殺死了恐龍的生物大滅絕，因此被稱為“大滅絕之母”（Mother of mass extinctions）。這次大滅絕事件不僅導(dǎo)致海洋中90%以上的物種消失，也殺滅了陸地70%以上的物種，徹底摧毀了古生代繁榮于地球上2億多年的海陸生態(tài)系統(tǒng)，從而為當(dāng)代生物多樣性的發(fā)展和現(xiàn)代型生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的誕生開辟了空間。然而，這次大滅絕后地球生物的復(fù)蘇和生態(tài)系統(tǒng)的重建也花費(fèi)了數(shù)百萬年時(shí)間。是什么原因?qū)е铝舜舜紊餃缃^？又是什么原因使得海、陸環(huán)境中所剩無幾的生物得以復(fù)蘇，并形成空前繁榮的新的生物圈？我們一直在尋找證據(jù)，我的學(xué)生們也先后加入這一探索領(lǐng)域。

有一個(gè)大眾比較熟知的說法是，外星撞擊導(dǎo)致了大滅絕。比如6500萬年前的恐龍滅絕事件，研究人員找到了當(dāng)時(shí)銥元素異常的證據(jù)——地殼內(nèi)銥元素的含量非常低，但在那個(gè)時(shí)代的巖石中銥元素一下子高出了幾百倍、幾千倍，因此被認(rèn)為是來自地外因素的影響，而且也有學(xué)者在墨西哥灣地區(qū)找到了相應(yīng)的隕石坑。但是，迄今為止，在二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交還沒有找到令人信服的隕石撞擊的證據(jù)。于是我們調(diào)整思路，從化石記錄本身出發(fā)來尋找答案。我們通過對(duì)大滅絕前后形成的巖層中的化石記錄進(jìn)行連續(xù)采樣分析，發(fā)現(xiàn)這次大滅絕事件具有兩幕式的特點(diǎn)，即它是由兩次時(shí)間間隔不長(zhǎng)的大滅絕事件組成。如果是地外事件導(dǎo)致生物滅絕的話，應(yīng)該是一次性的才對(duì)，這就從側(cè)面證明了此次滅絕的原因并非地外事件，而是源于地球內(nèi)部因素。

不過，即使是地內(nèi)事件導(dǎo)致了大滅絕，對(duì)其成因也是眾說紛紜。其中，全球大洋缺氧是得到較多證據(jù)支持的一種假說。我們研究小組的博士研究生孫亞東重點(diǎn)從事相關(guān)研究，他的目標(biāo)是通過化石來確定2.5億年前海水的溫度，這個(gè)研究乍一聽的確有點(diǎn)匪夷所思。孫亞東的做法是分析牙形石的氧同位素?cái)?shù)據(jù)，這項(xiàng)研究前后歷經(jīng)5年，工作量巨大，僅處理分析過的巖石樣品就超過10噸，最終選出了近萬枚牙形石個(gè)體，并在德國(guó)愛爾蘭根—紐倫堡大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了氧同位素的測(cè)定，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了華南二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交及早三疊世完整的海水溫度變化曲線，證明二疊紀(jì)末期曾發(fā)生快速的升溫事件，升溫幅度近10℃，并且海水在早三疊世一直處于較高溫度狀態(tài)，極高溫時(shí)期赤道海水的溫度超過38℃。如此高溫必然導(dǎo)致海水大規(guī)模缺氧，尤其陸架地區(qū)的缺氧會(huì)導(dǎo)致大部分生物無法生存，相繼滅絕。相關(guān)論文在全球頂尖雜志Science上發(fā)表。此后，我的學(xué)生宋海軍也對(duì)這一時(shí)期牙形石的微量元素進(jìn)行分析，進(jìn)一步論證了當(dāng)時(shí)的廣泛、多期次大洋缺氧事件。我的另一位研究生還研究了這一時(shí)期海水的硫同位素，證明二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交和早三疊世時(shí)期全球不僅發(fā)生過多期次大洋缺氧事件，還存在海水硫化現(xiàn)象。這些重大異常環(huán)境事件的共同作用，不僅導(dǎo)致了二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交的生物大滅絕，也使得大滅絕后生物及生態(tài)系統(tǒng)遲遲不能得以復(fù)蘇。

此外，我們還可以通過化石來了解二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交的大滅絕事件發(fā)生后，究竟哪些生物活了下來，以及它們幸存的原因。宋海軍對(duì)全球5萬多條化石記錄進(jìn)行了系統(tǒng)搜集和大數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)在滅絕事件之前的海洋生態(tài)系統(tǒng)中，非移動(dòng)型動(dòng)物占據(jù)主導(dǎo)地位，滅絕事件之后則是游泳型動(dòng)物占據(jù)主導(dǎo)。簡(jiǎn)單來說，就是當(dāng)時(shí)的魚類、菊石、鸚鵡螺的保命能力比珊瑚、海綿、腕足類要強(qiáng)，面臨惡劣的生存條件時(shí)，它們可以在海洋中快速移動(dòng)，及時(shí)逃到條件稍好的避難帶去。

地球和生命是如此神奇，這讓我感到從事化石研究是一件非常享受的事。而我們的研究也將為尚未解決的科學(xué)難題找到一些新的證據(jù)，或是一個(gè)可能的答案，那就是我最感欣慰的時(shí)刻。

我的“獵人”生涯

做化石研究，最重要的是知識(shí)儲(chǔ)備豐富，以及認(rèn)真、細(xì)心，使用高科技設(shè)備的地方并不多，最常用的就是“地質(zhì)三大寶”——錘子、羅盤、放大鏡，和一些簡(jiǎn)易的化石修理工具。

每次尋找化石之前都必須做好室內(nèi)準(zhǔn)備工作，充分了解化石采集地區(qū)的基本地質(zhì)情況，以及交通和生活條件。目前中國(guó)1：20萬比例尺的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作已基本完成，我們可以很清楚地知道哪個(gè)地方是什么地層，可以采集到什么化石。因?yàn)樯镞M(jìn)化既具有進(jìn)步性，也有不可逆性的特征，各個(gè)地質(zhì)時(shí)代的地層中產(chǎn)出的化石是不同的，野外地質(zhì)調(diào)查就是利用化石來確定地層時(shí)代的。同時(shí)，各種生物都具有特殊的生存環(huán)境條件，通過查閱地質(zhì)資料可以了解有關(guān)地區(qū)某個(gè)時(shí)代的地質(zhì)環(huán)境條件，初步判別相關(guān)地層中可能會(huì)找到什么化石?，F(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)十分發(fā)達(dá)，我們還能利用搜索引擎了解當(dāng)?shù)亟煌ê偷匦翁攸c(diǎn)，看看哪個(gè)地方在修路，可能挖掘到哪個(gè)地層。

幾十年來，我們對(duì)化石的認(rèn)知也在逐步發(fā)生變化。澄江化石群被認(rèn)為是“20世紀(jì)最驚人的科學(xué)發(fā)現(xiàn)”之一，云南澄江也成為迄今世界上發(fā)現(xiàn)古生物門級(jí)類群最多的區(qū)域，除了生物的硬體組織，也保存了大量軟體生物化石，在細(xì)膩的泥巖中，動(dòng)物的軟體附肢構(gòu)造精美，且呈立體保存，構(gòu)造細(xì)節(jié)能比較容易地在顯微鏡下揭露出來。以往對(duì)古生物的認(rèn)識(shí)主要來自于生物硬體骨骼化石，曾經(jīng)誤導(dǎo)了我們對(duì)早期生命進(jìn)化的認(rèn)識(shí)，澄江動(dòng)物群化石展示出完整的寒武紀(jì)早期海洋生物群落和生態(tài)系統(tǒng)，使我們認(rèn)識(shí)到，寒武紀(jì)初期的海洋里已經(jīng)生活著眾多生態(tài)各異的古生物。如此看來，寒武紀(jì)生命大爆發(fā)對(duì)傳統(tǒng)的達(dá)爾文進(jìn)化論提出了重大挑戰(zhàn)，因?yàn)檫M(jìn)化論學(xué)說解釋不了生命短時(shí)間爆發(fā)的現(xiàn)象。

CNT對(duì)話

根據(jù)化石研究，能分析出數(shù)億年前地球上的哪些信息？

比知二疊紀(jì)—三整紀(jì)之交的生物大滅絕時(shí)代，都時(shí)候海洋是分層的，海水不怎么流動(dòng)，水體表面高溫，底層出現(xiàn)缺氧甚至硫化的現(xiàn)象，就像炎熱的夏天魚塘中會(huì)出現(xiàn)魚類大量死亡的情況。

當(dāng)前最感興趣的研究課題是什么？

之前我研究的重點(diǎn)是二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交的生物大滅絕，現(xiàn)在更感興趣的是這次大滅絕后的生物復(fù)蘇。當(dāng)海洋中90%以上的生物已經(jīng)消失，是什么原因使得中生代以后海洋中的生物比以前更豐富了呢？同樣地，在陸地上，當(dāng)70%以上的古生代生物滅絕后，為什么三疊紀(jì)之后新的生物繁榮起來，甚至出現(xiàn)了曾經(jīng)統(tǒng)治地球上億年的恐龍？

對(duì)于化石的保護(hù)有何建議？

如今有很多人喜歡化石，我覺得大家應(yīng)該首先把化石當(dāng)做一個(gè)生命來對(duì)待，確不僅是把它當(dāng)做像珠寶一樣的收藏品，要充分挖掘它的科學(xué)和生命內(nèi)涵。

化石是不可再生的自然資源，目前地球上只有不到萬分之一的古生物能夠保存為化石。中國(guó)很早就頒布了化石保護(hù)條例，隨著時(shí)代的變遷，我覺得這個(gè)條例應(yīng)該進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，既要合理保存，也要進(jìn)一步發(fā)掘其科學(xué)和社會(huì)價(jià)值。同時(shí)，應(yīng)該強(qiáng)化古生物學(xué)專家的作用，適當(dāng)進(jìn)行保護(hù)性和研究性發(fā)掘，對(duì)所有化石做好鑒定登記工作，允許鑒定登記的化石在有限范圍內(nèi)流動(dòng)，讓收藏人或收藏單位成為化石保護(hù)的責(zé)任人。

Tips

化石的形成有多困難

生物要形成化石，需要滿足以下5個(gè)條件：

生物條件：最好本身有堅(jiān)硬的部分，比如骨骼或甲殼，才易于保存為化石。

環(huán)境條件：死后環(huán)境要比較平靜，不會(huì)受到各種外力的破壞。

埋藏條件：死后最好能迅速被埋藏起來，而且埋藏物質(zhì)圈閉性要好。

時(shí)間條件：埋藏時(shí)間至少要在一萬年以上，但埋藏越久也越容易遭到各種地質(zhì)作用的破壞。

成巖條件：生物體大多要經(jīng)過沉積物充填、壓實(shí)和礦物質(zhì)交代等地質(zhì)作用過程，才能轉(zhuǎn)變?yōu)榛?/p>

全球最大的古生物數(shù)據(jù)庫(kù)，免費(fèi)的

paleobiology Database（PBDB）是目前全球最大的化石資料數(shù)據(jù)庫(kù)，由眾多來自高校和相關(guān)機(jī)構(gòu)的古生物研究學(xué)者共同建立，對(duì)公眾免費(fèi)開放。它的目標(biāo)是將全球范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)的古動(dòng)物、古植物和古微生物化石信息收集起來，服務(wù)于科學(xué)研究。

這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)收錄的化石信息包羅萬象，目前已收集化石類別約38萬個(gè)，分別標(biāo)注了產(chǎn)地、年代等信息。使用者可以按照地質(zhì)時(shí)期搜索，或是按照生物學(xué)界門綱目科屬種的分類，追蹤某一生物在幾百萬年問的演變。就算是在數(shù)據(jù)庫(kù)的地圖上隨意點(diǎn)擊，也會(huì)蹦出“彩蛋”。

21世紀(jì)，隨著學(xué)科高度綜合交叉，作為一個(gè)化石研究者，不僅要懂古生物學(xué)，還要學(xué)習(xí)地質(zhì)學(xué)、其他生命科學(xué)及物理、化學(xué)等多種學(xué)科知識(shí)。研究化石，不僅是為了解決古生物學(xué)的具體問題，更有助于理解有關(guān)地球與人類協(xié)調(diào)發(fā)展等很多重大問題，特別是對(duì)當(dāng)代生態(tài)文明建設(shè)具有重要啟示?，F(xiàn)在生活條件好了，人們?cè)絹碓街匾暛h(huán)境保護(hù)，而環(huán)境問題主要是生物問題，比如有機(jī)物的污染、生態(tài)修復(fù)等。研究化石，了解地質(zhì)時(shí)劃生物與環(huán)境的互動(dòng)演變關(guān)系，可以為環(huán)境保護(hù)、生態(tài)文明建設(shè)提供另一個(gè)角度的思路。