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人民日报:从事古生物研究十多年,中科院南京地质古生物研究所研究员殷宗军

人民日报:从事古生物研究十多年,中科院南京地质古生物研究所研究员殷宗军

人民日报:从事古生物研究十多年,中科院南京地质古生物研究所研究员殷宗军(图右)

(神秘的地球uux.cn报道)据人民网-人民日报(姚雪青):越冷门,越坚持(科技自立自强·青年科学家)

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“做古生物研究,特别要坐得住冷板凳。”中科院南京地质古生物研究所研究员殷宗军说。十多年来,他始终专注于这个冷门学科,希望揭开化石背后隐藏的动物演化历史。这份坚持源于热爱,也来自于科研的进展、院所的支持。

一个个直径1毫米左右的微小化石,被小心翼翼地从岩石中分离出来后,放到显微镜下,使用超高分辨率X射线显微断层成像技术进行三维扫描,化石的立体结构就在显示仪上得以重构。在此基础上进行分析,就可以揭开化石背后隐藏的动物演化历史。

这是中科院南京地质古生物研究所研究员殷宗军每天的工作。这位35岁青年科学家领导的研究团队,采用最新三维无损成像技术,扫描了300多个旋孔虫化石标本,显示旋孔虫的内部存在细胞分裂现象——这种发育方式,与动物胚胎早期发育非常类似。“6亿年前的瓮安旋孔虫,是现代动物的远古近亲。”近期,他在《科学》杂志子刊《科学进展》发表的一篇论文中,给出了这样的结论。

“这是我对‘达尔文之困’的一个初步回答。”殷宗军说。个头不高、思维活跃、语速极快,卫衣上印着“自律给我自由”,像极了他一贯的行事风格。十多年来,这项研究和他的梦想,从未停止。

热爱,执着于动物起源之谜

2006年,中国地质大学(武汉)大三学生殷宗军放弃本校的研究生保送资格,选择了考研——向中科院南京地质古生物研究所这个全国古生物研究高地发起冲击。

为什么有这样大的决心?这和他为自己定下的研究道路有关。殷宗军从小生长在大别山区,姐姐送给他一套《小学生自然百科》,“这套书共6本,我最喜欢《地学》和《动物》,一个讲了地球上的岩石矿物、名山大川,一个从远古动物讲到人类诞生。我爱不释手,书很快就翻烂了。”殷宗军说。

地学与动物学交叉,不就是古生物学吗?许多年后回头看,他意识到,科学的种子在那时就已悄悄种在了心间。

考大学时,殷宗军填报了地质学专业。师兄师姐说,地质学这个专业的本科毕业生最吃香、有“钱途”,反而是往上读古生物学的硕士、博士,越来越冷门。但殷宗军却早早决定要读研。他在课堂上了解到,达尔文曾提到一个挑战进化论的难题:绝大多数现代高等动物的祖先,在5.41亿到5.18亿年前的寒武纪早期,以大爆发的形式突然出现在地层中,这一现象后世称之为“寒武纪生命大爆发”;而寒武纪之前地球的漫长历史中,却缺乏与动物相关的化石记录。

对此,达尔文的解释是化石记录保存的不完整性,寒武纪之前的动物可能没有留下化石记录。这个解释在此后100多年里引起了很大争议,被称为“达尔文之困”。“100多年过去了,‘达尔文之困’怎么还是个谜?”殷宗军给自己定下的目标就是,当科学家,探究知识的边界。

钻研,探究微小化石里的生物密码

带着追问,殷宗军来到南古所进行毕业设计。他选择的目标是瓮安生物群。

瓮安生物群,主产于贵州瓮安北斗山含磷地层,以磷酸盐化方式保存着6亿年前的化石,诞生于寒武纪大爆发以前。因此,这座可能保存了全世界最古老动物的化石库,被学界视为“动物世界的黎明”。

“2006年夏天,我从北斗山采了几百斤石头,打包发往南京,大海捞针一样寻找化石。”殷宗军记忆中,那个夏天非常炎热,他先用化学方法将几百斤石头融化,再在残渣中一点一点寻找化石,用显微镜观察。因为怕石头残渣被风吹散,也不敢开电扇。

终于,殷宗军找到了大量从未见过的化石。其中有一种化石十分特别,直径只有不到1毫米、外形很像现代动物胚胎、表面上长着螺旋状线圈,这就是后来被称为“瓮安旋孔虫”的化石。

通过显微镜和扫描电镜,观察分析新发现化石的形态学结构,对完成毕业论文来说就足够了。但神秘化石内部是什么结构?它们究竟是动物、植物,还是藻类?这些还需要深入研究。

“我想从事感兴趣的研究,只有一条路走到底。”殷宗军说。硕士二年级时,他接受遴选并获得了直接攻读博士学位的机会。

这些化石标本非常微小,当时最薄的刀片都比它们厚。想要重现内部结构,就要采用医院里CT扫描仪那样的专业设备。当时,欧洲拥有世界上最先进的同步辐射加速器,能扫描微米级别的物体内部结构。读博阶段,殷宗军申请到法国留学,带着几千枚样本,去探究小小化石中的生物密码。

但即便有了设备,“做CT”也不是易事。这种大型科学装置并非为扫描微体化石量身定制,因此用来给微体化石“做CT”时,扫描方法和诸多参数都要反复摸索和调整。例如光源设定,太弱了信号穿不透,太强了则易过曝。

“学习了几个月,才掌握扫描技术。遗憾的是,瓮安旋孔虫化石有很厚的囊包,内部结构大多已经腐烂,所有样本都没有扫描到内部结构,也就无从了解它究竟是什么。”好在留学期间殷宗军还有其他收获:通过扫描带来的其他样本,发现了最早的海绵动物、最早的胚胎化石……

这些研究,离回答“达尔文之困”还有一段距离。“我们不能每次都千里迢迢跑到欧洲,用别人的机器去扫描化石。”殷宗军开始思考,要有先进技术,让自己的团队来给化石“做CT”。

创新,让前沿技术助力古老学科

把先进的同步辐射加速器“搬”回来,并不现实。没别的路,只能依靠创新。

在南古所支持下,2012年博士毕业留所后,殷宗军着手建立化石显微CT实验室,并于2015年建成。走进这个实验室,仪器设备一应俱全:硬件上,有“CT机”、显微镜、图形工作站、数位屏;软件上,有各类专业的图像数据处理和三维可视化工具。它不仅用于瓮安生物群化石的研究,也支撑了琥珀中昆虫多样性、森林的起源等古生物学其他课题的研究。

“这个实验室有原始创新,也有集成创新。”殷宗军介绍,正在申请专利的多样本扫描技术就是一项自主创新。“人工将样本逐个放到样品台上扫描,费时耗力,如果能实现自动化不间断扫描,就可以帮助科研人员腾出手,大幅提高设备利用效率。”殷宗军说,前沿信息技术与这门古老学科可以碰撞出火花。他通过软件设定参数和程序,让样品台不仅“知道”每个样本的扫描时间和方式,还可以“找到”排着队的下一个样本,并且将它“请上台”。

去年6月,瓮安旋孔虫化石研究有了突破性进展,经过对化石内部结构和生物学信息的分析,证实了它们是单细胞生命,属于动物的“姐妹类群”,据此可以了解动物共同祖先的生物学信息,这对理解第一个动物究竟从何而来,提供了重要化石信息。

“做古生物研究,特别要坐得住冷板凳。我之所以能坚持下来,除了自身的热爱,也在于院所的无条件支持,以及研究过程中的一项项进展,让年轻科学家在起步阶段就可以大展拳脚,品尝到成功的喜悦。”殷宗军说,动物演化的真相正在逐渐显现,“达尔文之困”终有一天会彻底解开。

《人民日报》2021年1月13日12版




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