從地球生物學視角創(chuàng)新地質(zhì)調(diào)查工作

黃長生，姚華舟,2，李 璇，謝樹成

1.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心（中南地質(zhì)科技創(chuàng)新中心），湖北 武漢 430205；2.古生物與地質(zhì)環(huán)境演化湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430205；3. 中國地質(zhì)大學（武漢）環(huán)境學院，湖北 武漢 430074；4.中國地質(zhì)大學（武漢） a. 生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點實驗室，b. 流域關(guān)鍵帶演化湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430074

地球生物學是地球科學與生命科學交叉結(jié)合形成的學科，既包含對現(xiàn)代生物及其與環(huán)境關(guān)系的研究，又包含對重大地質(zhì)時期生物與環(huán)境關(guān)系的分析（謝樹成等，2006）。地球是生命的重要載體，在漫長的地質(zhì)歷史中，生命與地球之間、生物圈與地球其他圈層之間發(fā)生著重要的相互作用（謝樹成等，2018）。生命與地球環(huán)境之間的相互作用導(dǎo)致了它們之間出現(xiàn)了協(xié)同演化，并最終出現(xiàn)了適合人類居住的宜居地球。這些過程構(gòu)成了地球生物學研究的核心，包括微生物、植物、動物等不同類別、不同層次生物與地球環(huán)境之間的關(guān)系。

荷蘭生物學家于1930年提出了“地球生物學”的概念：注重生命與地球系統(tǒng)相互作用的研究。我國學者張文佑先生于1962年向中國科學院致信建議：“地質(zhì)科學應(yīng)結(jié)合物理、化學、生物，發(fā)展地球物理、地球化學、地球生物（學）三個邊緣學科”。21世紀以來，《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》的發(fā)布，更體現(xiàn)了諸如地球生物學等新學科體系構(gòu)建對發(fā)展我國基礎(chǔ)學科的重要性。學者們對地球生物學的概念、學科位置及分類體系、學科前沿方向、應(yīng)用領(lǐng)域等問題進行了深入討論，與其相對應(yīng)的學術(shù)機構(gòu)、科研平臺、學術(shù)期刊等相繼成立。2003年國際上推出了“地球生物學”期刊，2016年成立了“國際地球生物學會”，我國學者謝樹成在這個國際期刊和國際學會中都擔任職務(wù)。殷鴻福院士最早在國內(nèi)公開出版物上倡導(dǎo)地球生物學的發(fā)展（殷鴻福，1994），2011年他領(lǐng)導(dǎo)建立了以地球生物學為主題的生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點實驗室，2015年出版了《中國學科發(fā)展戰(zhàn)略·地球生物學》，2018年成立了中國古生物學會地球生物學分會，等等。這些都體現(xiàn)了地球生物學作為一個新的學科體系得到了國內(nèi)外學者的極大關(guān)注。

地球生物學是研究生命演化過程與地球圈層演變的相互聯(lián)系，地球不斷變化的環(huán)境影響著生物圈的發(fā)展，生物圈也反過來影響著地球系統(tǒng)的演化（謝樹成等，2011）。新時代的地質(zhì)工作應(yīng)結(jié)合地球生物學，利用學科交叉的優(yōu)勢實現(xiàn)地球生物學引領(lǐng)地質(zhì)調(diào)查工作的創(chuàng)新，讓地球生物學服務(wù)于長江經(jīng)濟帶等國家重大戰(zhàn)略和地方經(jīng)濟社會的發(fā)展，這是當前地質(zhì)調(diào)查工作需要考慮、需要實現(xiàn)的重要課題。

1 地球生物學的重要發(fā)展領(lǐng)域與方向

1.1 地球生物學的重要研究方向

地球生物學的形成與生物學（由生物學→生命科學→整合/分子生物學）以及地質(zhì)學（地質(zhì)學→地球科學→地球系統(tǒng)科學）的不斷發(fā)展緊密相關(guān)，是在古生物學基礎(chǔ)上形成的地球系統(tǒng)科學的一大支撐學科。地球生物學研究涉及很多方面，從基礎(chǔ)地質(zhì)到關(guān)鍵地質(zhì)時期重大科學難題，從生物與環(huán)境的相互作用到協(xié)同演化，從微生物作用到地質(zhì)環(huán)境變化，從元素循環(huán)到氣候環(huán)境演變，從深海到高山的極端環(huán)境生物適應(yīng)與反饋等眾多方面。在時間尺度上，地球生物學不僅研究現(xiàn)代環(huán)境的變化，也對關(guān)鍵地質(zhì)時期的一些重大氣候環(huán)境變化進行探索，例如，雪球地球、大氧化事件、海洋硫化等一系列環(huán)境事件，這些環(huán)境的異常以及之后的環(huán)境恢復(fù)，導(dǎo)致了一系列重大生命事件，是地球生物學關(guān)注的重要主題之一（殷鴻福等，2009，2011）。地球生物學不僅研究地質(zhì)環(huán)境對生物的影響，而且更注重生物對地質(zhì)環(huán)境的作用，特別是各類地質(zhì)微生物功能群通過元素循環(huán)對地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生重要影響，是地球由早期的無氧狀態(tài)演化到富氧狀態(tài)的主要機制，也是后生生物能夠出現(xiàn)的前提條件（謝樹成等，2015），而且與碳循環(huán)有關(guān)的微生物功能群不僅影響海洋環(huán)境，更重要的是影響大氣環(huán)境與全球變化，也影響著氣候的演變。

在研究對象上，地球生物學在古生物學主要研究動植物的基礎(chǔ)上，加強細菌、古菌等地質(zhì)微生物的研究。這些地質(zhì)微生物積極參與了地質(zhì)環(huán)境的改變，例如古生代硫化海洋的出現(xiàn)和維持（Canfield，1998；Gric et al.，2005；Marynowski and Filipiak，2007；Armstrong et al.，2009；vanBentum et al.，2009；Gill et al.，2011）與硫酸鹽還原微生物、H2S的厭氧氧化細菌和硫化物的好氧氧化細菌等典型的微生物功能群有著密切聯(lián)系。微生物功能群的固氮作用則影響地質(zhì)環(huán)境的營養(yǎng)條件（謝樹成等，2012）。微生物參與鐵的氧化及還原過程，使得含鐵礦物-微生物之間的協(xié)同進化（Dong H L，2010）。地球上還存在多種多樣的極端環(huán)境，如極高溫、極低溫、高壓、高鹽、高放射性和極度酸堿性等，從一些極端環(huán)境中能夠發(fā)現(xiàn)進而分離出一些重要的微生物。研究極端環(huán)境下微生物如何參與元素循環(huán)，如何適應(yīng)這些極端環(huán)境條件，如何作用于地質(zhì)環(huán)境，特別是研究極端環(huán)境中微生物的地質(zhì)作用，這些都是地球生物學的重要研究方向。

1.2 地球生物學的發(fā)展重點

地球微生物學（也稱地質(zhì)微生物學）是地球生物學發(fā)展的重點領(lǐng)域或者分支學科，微生物作為地球的“元老”，在地球生命歷史的前5/6階段占主導(dǎo)地位，闡述生物圈與地球其他圈層雙向的相互作用必須開展地質(zhì)微生物的研究。從生態(tài)系統(tǒng)的能量傳遞過程來說，最初從環(huán)境中攝取能量的生物主要是地質(zhì)微生物，最后把能量從生物圈返回給環(huán)境的還是地質(zhì)微生物。地質(zhì)微生物對全球變化、礦產(chǎn)資源的形成以及地球表層系統(tǒng)的改變起著至關(guān)重要的作用，是地球生命的支持系統(tǒng)。

地球生物學在強調(diào)“將今論古”重建地質(zhì)歷史時期生態(tài)環(huán)境的同時，更需要“以古示今”預(yù)判地球生態(tài)環(huán)境的未來發(fā)展方向。地球生物學是古生物學的繼承和超越，古生物學是基石，也是研究的重點所在（王訓(xùn)練和沈陽，2020；殷鴻福等，2008）。地球歷史有賴于人類對地史時期生物圈特征及其演化過程與其它圈層相互作用過程的全面、深入理解，進而揭示不同時期生物圈的特征、熟悉演化歷程及深入探討生物圈與地球其它圈層之間的關(guān)系。從地球生物學角度深入研究，有利于掌握生物演化過程的驅(qū)動力，根據(jù)生物演化的基本規(guī)律，判斷生態(tài)環(huán)境的發(fā)展趨勢，有助于人類趨利避害，促使人類與自然界和諧相處。

1.3 地球生物學的重要意義

地球生物學的重要意義在于揭示生命的形成、生物的演化及其與地球環(huán)境之間的相互作用與協(xié)同演化關(guān)系。

地質(zhì)微生物功能群的研究實現(xiàn)了地球微生物學的突破。地質(zhì)微生物功能群與重要地質(zhì)時期的氣候環(huán)境存在著密切的聯(lián)系，無論是現(xiàn)代還是地史時期，自養(yǎng)微生物與異養(yǎng)微生物、好氧細菌與厭氧細菌、硫酸鹽還原菌與甲烷菌等不同層次微生物群落，都在生態(tài)系統(tǒng)演化中扮演著不同的角色，都強烈地影響著地球各圈層系統(tǒng)（謝樹成和殷鴻福，2014）。微生物功能群將微生物生態(tài)學與生物地球化學過程聯(lián)系起來，是研究微生物與環(huán)境相互作用的紐帶。微生物的作用機制研究對于查明不同地質(zhì)環(huán)境含有機質(zhì)巖石的形成過程有著重要的地質(zhì)學意義，同時也可以了解不同微生物功能群是如何響應(yīng)、反饋各種地質(zhì)事件，如何作用和影響各類地質(zhì)環(huán)境的，它們作用的方式、條件、結(jié)果和機制如何等。

極端地質(zhì)環(huán)境微生物研究有助于重建早期生命的起源與進化過程（肖湘和張宇，2014），而且通過各種極端環(huán)境條件下的微生物實驗（李俊和李一良，2014），可以探討生物標志礦物和生物有機分子富集機制，從而為無機到有機的研究打下良好基礎(chǔ)。古生物化石采集、系統(tǒng)分類和地層研究是探索生物大滅絕的根基和關(guān)鍵（戎嘉余和黃冰，2014），揭示了地球生命演化的規(guī)律。從古生物學發(fā)展到地球生物學，不僅僅是對這些古植物和微體古生物，以及細菌、古菌等地質(zhì)微生物的深入分析，更是對古氣候、古環(huán)境變化與微生物群落之間聯(lián)系的深入研究。

2 地質(zhì)微生物學服務(wù)于地質(zhì)調(diào)查創(chuàng)新

2.1 服務(wù)方向

在學科大發(fā)展、地學大轉(zhuǎn)變的新形勢下，地球生物學為地質(zhì)調(diào)查工作的創(chuàng)新提供了重要的學科支撐。地球生物學對于經(jīng)濟社會的發(fā)展主要有4大服務(wù)方向：資源能源、氣候環(huán)境、生態(tài)安全、生命健康。

在資源能源方向上，地質(zhì)微生物的研究已經(jīng)有了成熟的體系（Leythaeuser et al.，1988；Banerjee et al.，2000；梁祺，2019）：通過微生物氧化法富集金礦，致力于細菌浸出難處理金礦（李想，2020）；基于烴源巖的研究，如今已經(jīng)深入到了優(yōu)質(zhì)烴源巖的生烴潛力，從分析殘余有機質(zhì)的反演機制到正演烴源巖形成的動力學過程（謝樹成等，2007）。當前，還加強了對各種儲層的地球生物學研究，諸如白云巖的微生物成因（王金藝和金振奎，2022）、含頁巖氣的頁巖中“碎屑礦物”的微生物成因（韓梅，2018）、納米孔隙的微生物-有機作用（鮑園等，2020）等等。

氣候環(huán)境與生態(tài)安全作為現(xiàn)階段地球生物學的重要服務(wù)方向，已經(jīng)進行了成功的探索（葉勝蘭和舒曉曉，2021）。在地質(zhì)微生物與氣候環(huán)境的關(guān)系中，微生物通過驅(qū)動元素的循環(huán)，影響著大氣成分、古氣候與古環(huán)境的變化（Meyers et al.，2005；Sanders，2003），其出口正好服務(wù)于全球氣候變化、碳中和等一些熱門主題。地質(zhì)微生物指標可以用來重建地質(zhì)時期的氣候環(huán)境變遷，包括古溫度和干濕古氣候（蔣輝等，2002；鄭卓等，2013）。在地質(zhì)微生物與生態(tài)安全的結(jié)合方面，從深時→深地→深海，微生物地質(zhì)作用的生態(tài)效應(yīng)無處不在，跨越了時間、空間，作用于礦物形成、環(huán)境污染以及污染的環(huán)境修復(fù)等過程中，這些都時時刻刻地影響著生態(tài)安全。

地質(zhì)微生物與生命健康的關(guān)系是地球生物學服務(wù)社會的前沿研究領(lǐng)域，架起了生命科學與地球科學服務(wù)經(jīng)濟社會的新紐帶。例如，地球科學應(yīng)該在生命科學基礎(chǔ)上為未來重大疫情的預(yù)測做出貢獻。病毒無處不在，但是人類肉眼看不見，一旦引發(fā)疫情就會時時刻刻威脅著人類生命健康。有人甚至提出病毒導(dǎo)致了恐龍滅絕的推斷（Pe?alver et al.，2017），其邏輯鏈條是氣候變化引發(fā)寄生蟲大量繁殖，后者又攜帶了大量病毒，這些病毒的傳播引起了恐龍滅絕。為了人類的生命健康，可以通過地球科學的支撐，開展對于未來疫情大流行的預(yù)測研究，其地球生物學的邏輯鏈條是：氣候變化→病毒宿主的變化→病毒的傳播→疫情擴散與爆發(fā)?；谶@個邏輯鏈條，地球生物學家可以通過氣候變化實現(xiàn)對未來疫情發(fā)展趨勢的可能預(yù)測。

2.2 組織架構(gòu)

人才團隊：為了實現(xiàn)地球生物學創(chuàng)新地質(zhì)調(diào)查工作，最為重要的就是建立起完善的組織，通過團隊合作來快速實現(xiàn)對地球生物學的研究與探討?；诖髮W（例如，中國地質(zhì)大學等）的人才儲備與科研機構(gòu)（例如，中國地質(zhì)調(diào)查局等）的優(yōu)勢資源，加強人才的引進，建立起優(yōu)秀的地球生物學研究團隊。從各個大學、研究院招募優(yōu)秀的本科、研究生等有這方面天賦的年輕人才，將項目研究與人才培養(yǎng)相結(jié)合，形成一套完整人才培養(yǎng)、組織建設(shè)的體系，為以后的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

研究平臺：為了方便科研團隊進行研究與實踐，研究平臺的搭建非常重要。建設(shè)國家級重點實驗室，為團隊構(gòu)建良好的實驗條件和基地；建設(shè)工程技術(shù)中心，為團隊將科研成果轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用的產(chǎn)品與技術(shù)；建設(shè)野外科學觀測基地，為了方便野外實驗與研究項目的實時動態(tài)監(jiān)測。

重大項目：鼓勵優(yōu)秀研究員、博士、教授等科研人員申請國家自然科學基金項目、國家重點研發(fā)計劃項目等等，項目的支持是研究可以順利向前開展的重要基礎(chǔ)和保證。有了項目的支撐，科研團隊才能利用平臺資源，才能培養(yǎng)優(yōu)秀人才，才能將地球生物學的研究成果推向世界頂尖的行列。科技部、國家自然基金委、自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局等部門設(shè)立項目資金，鼓勵地質(zhì)科技工作者申請地球生物學研究課題，利用項目資金優(yōu)勢吸引人才，以積極開展深入研究，促進重要研究成果的不斷增多。

重大成果：將以往的重要科研成果和重要項目成果進行匯總，建立好已有成果數(shù)據(jù)庫。進一步在已有成果的基礎(chǔ)上擴展研究，將研究內(nèi)容與創(chuàng)新理念不斷深化，努力躋身地質(zhì)與地球生物相結(jié)合的世界前沿行列。努力完成成果轉(zhuǎn)化，將科研理論轉(zhuǎn)化為實踐操作，將研究成果轉(zhuǎn)為實際產(chǎn)品，將科學研究轉(zhuǎn)化到社會服務(wù)，最終實現(xiàn)科研落地，惠及人民群眾，服務(wù)國家需求。

2.3 行動方案建議

地球生物學在地球科學領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，應(yīng)該遵循以下目標清晰的技術(shù)路線。

（1）試點示范調(diào)查：為了明確研究區(qū)的情況，首先應(yīng)該開展試點示范調(diào)查，明確地質(zhì)微生物的賦存情況，調(diào)查地質(zhì)微生物的分布、結(jié)構(gòu)與生態(tài)功能關(guān)系；其次對地質(zhì)環(huán)境有不同作用效果的微生物群落，還要調(diào)查清楚不同種類、不同群落的地質(zhì)微生物在那里“做什么”，掌握地質(zhì)微生物的基本情況。建議以長江中游和珠江、長江三角洲地區(qū)、南嶺等重要經(jīng)濟區(qū)或成礦區(qū)帶部署試點示范調(diào)查。

（2）建立標準規(guī)范：基于試點調(diào)查工作的內(nèi)容，建立一套標準規(guī)范，如1∶5萬微生物調(diào)查規(guī)范、編圖規(guī)范。將研究流程、注意事項、實驗要求等都納入這套科學嚴謹?shù)募夹g(shù)標準中。這套技術(shù)標準將規(guī)范后續(xù)的研究工作，讓后續(xù)的研究人員嚴謹而認真地開展工作，遵循標準而不忽略細節(jié)問題，不去犯相同的錯誤。

（3）加強機理研究：地球生物學的研究，需要攻克地質(zhì)微生物的作用機制。地質(zhì)微生物通過自身功能實現(xiàn)地質(zhì)作用過程，都與特定的基因有關(guān)，要了解地質(zhì)微生物的作用機理，就需要找到發(fā)揮作用的酶或蛋白質(zhì)，分析DNA指紋，從而明確表達功能的重要基因片段。分析作用原理可以通過高通量測序法、克隆文庫法、藍白斑挑選、Blast比對等涉及功能群的一系列方法與操作來實現(xiàn)，這個過程就可以培養(yǎng)人才，鼓勵科研人員在技術(shù)層次實現(xiàn)創(chuàng)新。

（4）推動成果轉(zhuǎn)化：如何實現(xiàn)成果的應(yīng)用，如何讓成果服務(wù)于資源能源開發(fā)、生態(tài)環(huán)境保護、大氣環(huán)境改善和生命健康安全，這是開展地球生物學研究最為重要的一個環(huán)節(jié)。科研成果要實踐、應(yīng)用、服務(wù)于社會，這就需要通過工程技術(shù)中心將成果轉(zhuǎn)化，將成果的價值從研究層面帶到社會服務(wù)中來。優(yōu)秀的科研成果需要回答地質(zhì)微生物研究中“誰在那里”、“為什么在那里”，以及“在那里干什么”等一系列的問題，從而明確其與環(huán)境污染的關(guān)系，實現(xiàn)將地質(zhì)微生物應(yīng)用于污染治理等社會服務(wù)中。

3 結(jié)束語

地球生物學的核心是生物與地球環(huán)境的相互作用和協(xié)同演化。地質(zhì)微生物演化、地質(zhì)微生物與環(huán)境變化的聯(lián)系，以及重大地質(zhì)時期生物與環(huán)境的關(guān)系是如今地球生物學的重要研究方向。生命的起源、輻射、滅絕和復(fù)蘇等重大生命事件的發(fā)生，與地球深部過程以及受其影響的地球表層過程乃至行星環(huán)境密切相關(guān)（謝樹成等，2007）。各類地質(zhì)微生物功能群不僅靈敏地響應(yīng)地質(zhì)環(huán)境的變化，而且通過元素循環(huán)和礦物轉(zhuǎn)變對地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生重要影響。這些方向的深入研究拓展了地球生物學在地球演化、資源和全球變化等領(lǐng)域的應(yīng)用，可以將地球生物學亟待解決的科學問題歸納為地球環(huán)境對生命系統(tǒng)的影響和生命系統(tǒng)對地球環(huán)境的作用兩大方面，包括早期地球環(huán)境背景及其對生命起源、演化的影響，全球環(huán)境變化對地質(zhì)微生物的影響與地質(zhì)微生物的反饋（如對海洋水化學和大氣成分的影響），以及極端地質(zhì)環(huán)境微生物與深部生物圈的聯(lián)系。

地球生物學可以開拓創(chuàng)新中國地質(zhì)調(diào)查的新視角和新局面，地球生物學的發(fā)展也需要地質(zhì)調(diào)查工作的支撐。將地球生物學服務(wù)于經(jīng)濟社會的發(fā)展，實現(xiàn)地質(zhì)調(diào)查的創(chuàng)新，是地球生物學與地質(zhì)調(diào)查相結(jié)合的意義所在。地球生物學與地質(zhì)調(diào)查的結(jié)合，是一項具有劃時代意義、以往的地質(zhì)調(diào)查工作所不能替代、具有很強的應(yīng)用轉(zhuǎn)化能力的工作，亟待開展。

說明：文章?lián)心系刭|(zhì)科技創(chuàng)新中心首期“華南地質(zhì)名家論壇”謝樹成院士多媒體課件整理形成。