越冷門,越堅持

來源:人民網-人民日報

越冷門,越堅持

圖為殷宗軍(右)在科研中。 資料圖片

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“做古生物研究,特別要坐得住冷板凳。”中科院南京地質古生物研究所研究員殷宗軍說。十多年來,他始終專注於這個冷門學科,希望揭開化石背後隱藏的動物演化歷史。這份堅持源於熱愛,也來自於科研的進展、院所的支援。

一個個直徑1毫米左右的微小化石,被小心翼翼地從岩石中分離出來後,放到顯微鏡下,使用超高解析度X射線顯微斷層成像技術進行三維掃描,化石的立體結構就在顯示儀上得以重構。在此基礎上進行分析,就可以揭開化石背後隱藏的動物演化歷史。

這是中科院南京地質古生物研究所研究員殷宗軍每天的工作。這位35歲青年科學家領導的研究團隊,採用最新三維無損成像技術,掃描了300多個旋孔蟲化石標本,顯示旋孔蟲的內部存在細胞分裂現象——這種發育方式,與動物胚胎早期發育非常類似。“6億年前的甕安旋孔蟲,是現代動物的遠古近親。”近期,他在《科學》雜誌子刊《科學進展》發表的一篇論文中,給出了這樣的結論。

“這是我對‘達爾文之困’的一個初步回答。”殷宗軍說。個頭不高、思維活躍、語速極快,衛衣上印著“自律給我自由”,像極了他一貫的行事風格。十多年來,這項研究和他的夢想,從未停止。

熱愛,執著於動物起源之謎

2006年,中國地質大學(武漢)大三學生殷宗軍放棄本校的研究生保送資格,選擇了考研——向中科院南京地質古生物研究所這個全國古生物研究高地發起衝擊。

為什麼有這樣大的決心?這和他為自己定下的研究道路有關。殷宗軍從小生長在大別山區,姐姐送給他一套《小學生自然百科》,“這套書共6本,我最喜歡《地學》和《動物》,一個講了地球上的岩石礦物、名山大川,一個從遠古動物講到人類誕生。我愛不釋手,書很快就翻爛了。”殷宗軍說。

地學與動物學交叉,不就是古生物學嗎?許多年後回頭看,他意識到,科學的種子在那時就已悄悄種在了心間。

考大學時,殷宗軍填報了地質學專業。師兄師姐說,地質學這個專業的本科畢業生最吃香、有“錢途”,反而是往上讀古生物學的碩士、博士,越來越冷門。但殷宗軍卻早早決定要讀研。他在課堂上了解到,達爾文曾提到一個挑戰進化論的難題:絕大多數現代高等動物的祖先,在5.41億到5.18億年前的寒武紀早期,以大爆發的形式突然出現在地層中,這一現象後世稱之為“寒武紀生命大爆發”;而寒武紀之前地球的漫長曆史中,卻缺乏與動物相關的化石記錄。

對此,達爾文的解釋是化石記錄儲存的不完整性,寒武紀之前的動物可能沒有留下化石記錄。這個解釋在此後100多年裡引起了很大爭議,被稱為“達爾文之困”。“100多年過去了,‘達爾文之困’怎麼還是個謎?”殷宗軍給自己定下的目標就是,當科學家,探究知識的邊界。

鑽研,探究微小化石裡的生物密碼

帶著追問,殷宗軍來到南古所進行畢業設計。他選擇的目標是甕安生物群。

甕安生物群,主產於貴州甕安北斗山含磷地層,以磷酸鹽化方式儲存著6億年前的化石,誕生於寒武紀大爆發以前。因此,這座可能儲存了全世界最古老動物的化石庫,被學界視為“動物世界的黎明”。

“2006年夏天,我從北斗山採了幾百斤石頭,打包發往南京,大海撈針一樣尋找化石。”殷宗軍記憶中,那個夏天非常炎熱,他先用化學方法將幾百斤石頭融化,再在殘渣中一點一點尋找化石,用顯微鏡觀察。因為怕石頭殘渣被風吹散,也不敢開電扇。

終於,殷宗軍找到了大量從未見過的化石。其中有一種化石十分特別,直徑只有不到1毫米、外形很像現代動物胚胎、表面上長著螺旋狀線圈,這就是後來被稱為“甕安旋孔蟲”的化石。

通過顯微鏡和掃描電鏡,觀察分析新發現化石的形態學結構,對完成畢業論文來說就足夠了。但神祕化石內部是什麼結構?它們究竟是動物、植物,還是藻類?這些還需要深入研究。

“我想從事感興趣的研究,只有一條路走到底。”殷宗軍說。碩士二年級時,他接受遴選並獲得了直接攻讀博士學位的機會。

這些化石標本非常微小,當時最薄的刀片都比它們厚。想要重現內部結構,就要採用醫院裡CT掃描器那樣的專業裝置。當時,歐洲擁有世界上最先進的同步輻射加速器,能掃描微米級別的物體內部結構。讀博階段,殷宗軍申請到法國留學,帶著幾千枚樣本,去探究小小化石中的生物密碼。

但即便有了裝置,“做CT”也不是易事。這種大型科學裝置並非為掃描微體化石量身定製,因此用來給微體化石“做CT”時,掃描方法和諸多引數都要反覆摸索和調整。例如光源設定,太弱了訊號穿不透,太強了則易過曝。

“學習了幾個月,才掌握掃描技術。遺憾的是,甕安旋孔蟲化石有很厚的囊包,內部結構大多已經腐爛,所有樣本都沒有掃描到內部結構,也就無從瞭解它究竟是什麼。”好在留學期間殷宗軍還有其他收穫:通過掃描帶來的其他樣本,發現了最早的海綿動物、最早的胚胎化石……

這些研究,離回答“達爾文之困”還有一段距離。“我們不能每次都千里迢迢跑到歐洲,用別人的機器去掃描化石。”殷宗軍開始思考,要有先進技術,讓自己的團隊來給化石“做CT”。

創新,讓前沿技術助力古老學科

把先進的同步輻射加速器“搬”回來,並不現實。沒別的路,只能依靠創新。

在南古所支援下,2012年博士畢業留所後,殷宗軍著手建立化石顯微CT實驗室,並於2015年建成。走進這個實驗室,儀器裝置一應俱全:硬體上,有“CT機”、顯微鏡、圖形工作站、數位屏;軟體上,有各類專業的影象資料處理和三維視覺化工具。它不僅用於甕安生物群化石的研究,也支撐了琥珀中昆蟲多樣性、森林的起源等古生物學其他課題的研究。

“這個實驗室有原始創新,也有整合創新。”殷宗軍介紹,正在申請專利的多樣本掃描技術就是一項自主創新。“人工將樣本逐個放到樣品臺上掃描,費時耗力,如果能實現自動化不間斷掃描,就可以幫助科研人員騰出手,大幅提高裝置利用效率。”殷宗軍說,前沿資訊科技與這門古老學科可以碰撞出火花。他通過軟體設定引數和程式,讓樣品臺不僅“知道”每個樣本的掃描時間和方式,還可以“找到”排著隊的下一個樣本,並且將它“請上臺”。

去年6月,甕安旋孔蟲化石研究有了突破性進展,經過對化石內部結構和生物學資訊的分析,證實了它們是單細胞生命,屬於動物的“姐妹類群”,據此可以瞭解動物共同祖先的生物學資訊,這對理解第一個動物究竟從何而來,提供了重要化石資訊。

“做古生物研究,特別要坐得住冷板凳。我之所以能堅持下來,除了自身的熱愛,也在於院所的無條件支援,以及研究過程中的一項項進展,讓年輕科學家在起步階段就可以大展拳腳,品嚐到成功的喜悅。”殷宗軍說,動物演化的真相正在逐漸顯現,“達爾文之困”終有一天會徹底解開。

《 人民日報 》( 2021年01月13日 12 版)

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