①朱敏（左一）在云南進行野外工作

②新疆野外工作

③古DNA實驗室團隊

④中美西藏野外考察

⑤哈密翼龍生態(tài)復原圖

⑥實驗室學術委員會

⑦主龍類系統(tǒng)發(fā)育——新數據和新方法國際研討會

■本報記者 胡珉琦

地球生命在何處產生、如何產生？什么決定了物種多樣性？什么基因的改變造就了獨特的人類？人類合作行為如何發(fā)展……

2005年，《科學》對當前驅動基礎科學研究的科學難題展開了一次調查。在最重要的25個問題中，多個關乎生命演化。

“可唯獨缺了‘從魚到人’這條演化主線的問題。”中國科學院脊椎動物演化與人類起源重點實驗室（以下簡稱脊椎動物演化與人類起源重點實驗室）主任朱敏說。

“人之由來”是永恒的天問。古生物學已經揭示，脊椎動物的進化最早可以追溯到距今5.3億年前的一條最古老的魚。

在“從魚到人”的這段波瀾壯闊、跌宕起伏的演化歷程中，許多關鍵節(jié)點的脊椎動物化石正是由中國科學院古脊椎動物與古人類研究所（以下簡稱古脊椎所）學者首次發(fā)現(xiàn)的，它們通通被標記在世界古生物研究的版圖上。

現(xiàn)在的古生物學研究已經不是過去單一學科的模式，而成為了一場地球科學與生命科學的“共舞”。12年前，脊椎動物演化與人類起源重點實驗室的成立，不僅見證了這一碰撞的開端，還親自參與并為這門古老學科帶來了嶄新的生命力。

守正：“從魚到人”的演化主線

在本世紀初的近15年里，古脊椎所研究員朱敏帶著中國早期脊椎動物研究課題組，為有頜類動物的起源與早期演化、硬骨魚綱動物的起源與早期演化、四足動物的起源這三個重要研究方向找到了極為關鍵的化石證據。

這些化石的意義就在于，解決了古生物學與演化生物學領域一些長期爭論不休的理論問題，比如頜的起源、人面骨骼的出現(xiàn)、硬骨魚綱的起源、肉鰭魚亞綱的起源等等，并且改變了學術界對這些重大問題的固有認識。

與其有著同等分量的，是中科院院士周忠和、古脊椎所副所長徐星研究員領銜的熱河生物群研究。他們在鳥類及其飛行和羽毛的起源，恐龍、翼龍、早期鳥類、哺乳類和兩棲類的進化等方面取得了一系列舉世矚目的原創(chuàng)性成果。

古脊椎所正是憑借我國得天獨厚的脊椎動物與人類化石資源和獨特地質條件，在國際上形成了“從魚到人”這條脊椎動物演化主線研究的優(yōu)勢地位。

徐星告訴《中國科學報》，研究所許多成果和學術觀點，已經被西方權威教科書所采用。而在大名鼎鼎的英國自然歷史博物館內，中國古脊椎動物學奠基人、古脊椎所首任所長楊鐘健的照片，與達爾文、歐文等世界級科學泰斗懸掛在一起，他也是亞洲唯一獲此殊榮的科學家。

與已有90年歷史的古脊椎所相比，脊椎動物演化與人類起源重點實驗室的成立雖然只有短短12年，但無論研究方向還是科研文化，都與古脊椎所一脈相承。

朱敏更表示，古脊椎所一直舉全所之力“經營”這一實驗室。

近年來，來自脊椎動物演化與人類起源重點實驗室的重大發(fā)現(xiàn)常被《科學》《時代周刊》和《發(fā)現(xiàn)》等列入年度重要新聞。

一門古老的小學科，何來如此大的社會影響力？

化石是地球億萬年來生物演化和人類起源的重要證據，而關于生命的演化還有著數不清的難題。每一次重要化石的發(fā)現(xiàn)，都是在不斷拓展全人類的知識疆界。中國古生物學家筆下是一個個洪荒時代的史詩故事，既關乎這個世界的過去，也預示著它的未來。所以，這些成果的顯示度常常超乎人們的想象。

“但是，發(fā)現(xiàn)了重要化石并不等同于做出了重要研究。”古脊椎所所長鄧濤強調。

“古生物學絕非簡單的材料科學。在化石發(fā)現(xiàn)和物種描述的基礎上，需要重建脊椎動物的系統(tǒng)發(fā)育關系，揭示脊椎動物重要類群的起源、形態(tài)功能演化以及宏演化機制。”他直言，這才是古生物學研究真正的價值所在，也是實驗室科研成果的內涵所在。

化石是塵封的印記，而找到打開印記的方法考驗的是研究人員的洞察力。鄧濤說：“如果研究者沒有完整、深厚的知識積累，就很難以小見大，闡明化石在演化歷程中的角色和關鍵作用。”

為此，脊椎動物演化與人類起源重點實驗室提供了重要支撐。

“與國際上同類型研究機構相比，我們實驗室的科研方向是最完整的，從脊椎動物到人類演化鏈條上的每一個部分都有充足的科研人才和資源。”鄧濤認為，正因如此，小領域之間可以隨時隨地打破壁壘，進行合作與互通，從而拓寬科研人員的研究視野，也更容易迸發(fā)出思想火花。

創(chuàng)新：大放異彩的古DNA研究

2010年，已滅絕古人類尼安德特人的基因組草圖完成，有關人類起源的故事發(fā)生了一個轟動全球的戲劇性轉折——德國馬普學會演化人類學研究所所長斯萬特·帕博及其合作的50位科學家通過古DNA的研究方法，揭示了今天除非洲以外的所有人都帶有尼安德特人的遺傳密碼，這種古老的人類從未完全消失。

古生物學是一門非常古老的學科，過去普遍認為，相比其他學科，它的研究方法和手段更新較為緩慢。但是，經典不意味著固守傳統(tǒng)，止步不前。

朱敏表示，脊椎動物演化與人類起源重點實驗室成立以來，一直在探索一種更有生命力的發(fā)展策略。“在當前的演化生物學領域，古今結合、宏觀與微觀結合已形成一股新的研究潮流，也是目前脊椎動物演化與人類起源重點實驗室最為看重的發(fā)展方向。”

眾所周知，人類對基因組結構研究的巨大進展已經影響了生命科學的方方面面，古生物學也不例外。“最近十幾年是古DNA研究的一個黃金期。把現(xiàn)代分子生物學與原始化石材料結合起來，我們趕上了一個好時代。”周忠和說。

2009年，古脊椎所和中國科學院大學考古學與人類學系教授王昌燧團隊成立了一個含有古DNA平臺方向的人類演化與科技考古聯(lián)合實驗室。帕博的博士研究生付巧妹，在此組建起了一支屬于中國的古DNA研究團隊，開啟了國內古生物學研究的一個嶄新方向。

起初，古人類化石DNA保存差、污染重、難以獲取有效遺傳信息。2013年，付巧妹和帕博團隊聯(lián)合開發(fā)了一種類似“釣魚”的古核DNA捕獲方法，將田園洞人化石僅占0.03%的人類DNA從大量來自土壤微生物的DNA中吸附、富集并“釣取”出來。

2014年，付巧妹團隊成功從西伯利亞距今約4.5萬年的人類股骨中獲得高質量的基因組序列。這項研究不僅首次提出了現(xiàn)代人祖先進入亞洲的路線并非只有單一的南線，還確定了現(xiàn)代人祖先與尼安德特人基因交流的時間。

此后，她開始將亞洲人群納入人類起源和演化歷史的研究，詳實繪制出冰河時代歐亞人群的遺傳譜圖，首次在時空大框架下展示舊石器時代晚期的一段完整的人口動態(tài)變化情況……

今年5月，付巧妹團隊發(fā)表在《科學》的一項最新成果又引起了廣泛關注。它揭示出中國南北方人群的史前分化格局、融合過程和遷徙歷史，而且證實了南島語系人群的中國南方大陸起源。

整整10年，付巧妹廣泛開展了古代人類及其伴生物種的基因測序工作，不斷豐富古DNA數據庫，并通過建立高水平的古DNA自動化實驗平臺和專業(yè)的跨學科研究團隊，用生物信息學與群體遺傳學等分析方法，深入探索歐亞現(xiàn)代人起源、遷徙路徑、演化過程、環(huán)境適應及與古人類基因交流等方面的重要科學問題。她自信，團隊目前的古DNA研究水平已經可以和國外一線研究機構實現(xiàn)“并跑”。

脊椎動物演化與人類起源重點實驗室的古DNA團隊有著截然不同的學科背景和分析方法，朱敏認為，正是古脊椎所高度開放、包容的文化基因，為亟待創(chuàng)新發(fā)展的古人類學研究贏得了一個重煥生機的機會。

融合：從“生物”向“環(huán)境”衍生

2017年，歷時12年，古脊椎所研究員汪筱林團隊在新疆哈密戈壁大漠的白堊系地層中，搶救性采集了一件超過200枚翼龍蛋、胚胎和骨骼化石三位一體保存的標本，其中16枚翼龍蛋含有三維立體的胚胎化石。

1億年前，哈密曾是一個不折不扣的“翼龍伊甸園”，這一發(fā)現(xiàn)被認為是“翼龍研究200年來最令人激動的發(fā)現(xiàn)之一”。因為如此豐富的翼龍蛋與骨骼化石的特異埋藏，在全世界都是絕無僅有的。

在白堊紀，這里的土地上究竟發(fā)生了什么？

汪筱林團隊發(fā)現(xiàn)，哈密翼龍蛋和骨骼化石主要產自于一套含有橫向不穩(wěn)定、富含紅色泥巖礫屑的灰白色湖相砂巖中，這些數量巨大的翼龍和翼龍蛋化石很可能經歷了多次湖泊風暴事件，這種高能的風暴經過翼龍的巢穴，將翼龍蛋及生活著的不同大小、性別的翼龍帶到湖岸邊，經過短時間漂浮聚集后，與撕裂分散的翼龍遺體一起被快速埋藏。

這些翼龍個體發(fā)育、生殖和生態(tài)習性及埋藏環(huán)境等方面的分析研究，揭示了生命和環(huán)境的相互作用與協(xié)同演化的重要性。

脊椎動物與人類的演化從來不是孤立事件，演化歷史過程中的一些重大環(huán)境事件、環(huán)境演變過程，與它們究竟存在怎樣的關系，它們的演化動力機制是什么，這些多學科問題越來越吸引著古生物學家的關注。

脊椎動物演化與人類起源重點實驗室成立以來，朱敏一直堅持古生物學與其他學科的交叉、融合。在傳統(tǒng)的生物地層學、形態(tài)學、比較解剖學以及系統(tǒng)發(fā)育學的基礎上，融入動物學、發(fā)育生物學、組織學、生理學、分子系統(tǒng)學、地球化學等多學科研究領域，已是國際學術界探索有關演化問題的主流。

10年前，中科院地球環(huán)境研究所研究員李小強的跨界“加盟”，增強了脊椎動物演化與人類起源重點實驗室古環(huán)境演化領域的研究實力。實驗室正朝著演化生態(tài)學的方向發(fā)展，重建脊椎動物與環(huán)境協(xié)同變化的過程與機制，回應國家重大需求。

作為實驗室副主任，李小強的任務是從4億年前開始形成的地球陸地生態(tài)系統(tǒng)角度出發(fā)，研究陸地生物和環(huán)境的相互作用與協(xié)同演化等重大科學問題。利用脊椎動物化石、植物化石及其他地質—生物指標記錄，研究重大地質環(huán)境事件及其對陸地生物群演化的影響。

“特別是新生代以來，氣候環(huán)境發(fā)生了多次重大變化，而中國新生代沉積盆地發(fā)育、生態(tài)類型豐富、化石地點眾多、標本數量巨大，在開展人類和動物與環(huán)境協(xié)同演化研究方面具有得天獨厚的條件和不可替代的資源優(yōu)勢。”李小強表示，探討新生代以來環(huán)境演變特別是重大環(huán)境事件對脊椎動物演化的影響與制約，揭示人類起源演化與環(huán)境變化的關系，是這一研究方向關注的重點。

近5年來，在古環(huán)境重建的化石證據、動物食性演化及環(huán)境適應、人類何時擴散到青藏高原腹地、如何適應和征服極端環(huán)境、新石器時代農業(yè)轉型及人類適應方式和策略等方面，脊椎動物演化與人類起源重點實驗室已經收獲了諸多成果。

2017年9月，以古脊椎所和中國科學院南京地質古生物研究所為共同依托單位的“生物演化與環(huán)境卓越創(chuàng)新中心”正式獲批籌建。它的成立，圍繞古生物學、地層學和古環(huán)境學研究前沿交叉領域，讓不同學科因聚合而迸發(fā)出巨大的創(chuàng)新活力。

老樹新枝 技術“加持”

古生物學最大的實驗室在野外，這是許多古生物學者的共識。但回到研究機構，想要最終解開那些野外發(fā)掘的化石所蘊藏的失落信息，除了用心、用眼，也少不了高新技術的“加持”。

上世紀80年代，中科院院士張彌曼在研究楊氏魚時，用了連續(xù)磨片法制造蠟質模型。該方法是在化石上磨掉薄薄的一層，畫一個切面圖，再磨掉一層，再畫一個切面，直到磨完整塊化石為止。一個2.8厘米長的魚顱骨化石，張彌曼總共畫了540多幅切面圖，一幅圖可能就需要耗費十幾個小時。

后來有了高精度CT設備，可以通過掃描，輕而易舉地“深入”觀察化石內部結構，且對化石本身沒有任何損傷。

可就在十幾年前，高精度CT設備的研發(fā)與生產長期被國外壟斷，古脊椎所的CT設備顯得很“寒酸”。在實驗室主任朱敏眼里，“別人淘汰的都比我們強”。

脊椎動物演化與人類起源重點實驗室的出現(xiàn)，實際上為研究所技術設備的提升提供了非常重要的支撐。

在中科院的支持下，古脊椎所與中科院高能物理研究所、中科院自動化研究所合作，根據古生物化石樣品密度和空間分辨要求高的特殊性，瞄準世界“工業(yè)CT技術”在古生物領域應用的領先水平，研制出兩臺高分辨率古生物CT設備。

2016年，實驗室又與中科院高能物理研究所合作研發(fā)了世界上首個板狀化石CT（CL），專用于“板狀化石”三維掃描。

現(xiàn)在，脊椎動物演化與人類起源重點實驗室共設立了5個實驗技術中心：高精度CT中心、古DNA分析中心、古環(huán)境演化中心、石器與生物考古中心、化石標本與大數據中心。

高新技術手段、古生物大型數據庫、生物測量與統(tǒng)計分析方法等在古生物學研究中逐步得到了推廣應用，如電子顯微鏡、高精度CT掃描、同步輻射X射線三維成像、拉曼光譜分析、有限元分析、計算機模擬和仿真、微量元素分析、高通量測序、古DNA分析、演化生物學大數據計算、光釋光測年、穩(wěn)定同位素測試等，它們可以采集海量的信息并快速處理，使得大范圍、大縱深時間尺度的研究成為可能。

就在今年新冠肺炎疫情期間，朱敏花了幾個月時間，埋頭整理、清洗了脊椎動物中將近2萬個分類單元（屬種）的數據，而過去這些數據都是分散的。

這項工作也是中國科學院A類戰(zhàn)略性先導科技專項“地球大數據科學工程”中，由朱敏負責的一個子課題“古生物與古環(huán)境綜合數據庫構建及其應用”的內容。

“演化生物學的發(fā)展越來越模型化，它從過去的定性描述，轉入到定量數據分析階段，這將是一個很大的發(fā)展趨勢。”朱敏認為，這一轉變，需要借助實驗平臺CT掃描、數據采集、數學建模等技術和分析手段的整合，從而占領數據制高點。（胡珉琦）

中國科學院脊椎動物演化與人類起源重點實驗室簡介

實驗室成立于2008年，原名為“中國科學院脊椎動物進化系統(tǒng)學重點實驗室”；2012年，為了更好地整合資源，“中國科學院脊椎動物進化系統(tǒng)學重點實驗室”與“人類演化與科技考古聯(lián)合實驗室”合并為“中國科學院脊椎動物演化與人類起源重點實驗室”；2013年4月經中科院批準正式更名。

合并后的實驗室在充分利用我國得天獨厚的脊椎動物與人類化石資源和獨特地質條件的基礎上，整合古生物和現(xiàn)生生物資料，面向世界科學前沿開展古生物學、古人類學和演化生物學關鍵科學問題的探索與理論研究；以豐富人類社會的公共知識體系為己任，積極承擔與國家發(fā)展目標相關的重大項目，為探討地球與生命的協(xié)同演化，以及人與自然的和諧發(fā)展提供科學支撐；努力培養(yǎng)和造就一支優(yōu)秀科研隊伍，將實驗室建設成為在國際古生物學界和演化生物學界具有重大影響與鮮明古今交叉學科特點、在國內引領相關學科領域發(fā)展并具有強大凝聚力的研究基地。