追溯远古世界 探索生命演化——记北京大学地球与空间科学学院史前生命与环境研究所

本刊记者 杨 娇

追溯远古世界 探索生命演化
——记北京大学地球与空间科学学院史前生命与环境研究所

本刊记者 杨 娇

古生物学是地球科学与生命科学的交叉学科，主要研究地质历史时期生物的起源、进化和生物多样性的演变、地球的环境变化、以及生物与环境的关系。古生物学研究可使人们认识地质历史中的生物多样性、更深入地了解自然历史，可使人类充分认识生物与环境的相互依存关系，可为未来全球气候和环境变化提供预测的基础，可为石油、天然气、煤炭等矿产资源的勘探、开发提供强有力的支持。

北京大学是近代中国较早开展古生物学教学和科研工作的机构之一。1909年，京师大学堂设立地质学门，之后改名为北京大学地质学门。上世纪20年代以来，著名古生物学家李四光、葛利普等在此任教，培养了大批人才，他们中有20余位成为中国科学院院士，为我国古生物学事业的早期发展做出了重大贡献。20世纪50年代，北京大学设立地层古生物学专业。2002年，在原古生物学与地层学专业的基础上，组建而成立史前生命与环境研究所（下文简称“研究所”）。目前，该研究所共有教员12人，其中中科院院士1名（兼职）、教授7名（包括长江特聘教授1名）、“青年千人计划”研究员1名、副教授3名。学术队伍梯队合理，研究方向多样，涵盖地球生物学、演化古生物学、地层学、沉积学和古环境研究等多个领域。

得益于近百年的学术积淀、以及中国得天独厚的地域优势和丰富的化石资源，研究所在以下三个领域取得了一系列具有国际影响的成果：（1）古生代无脊椎动物群、地层学及古环境研究；（2）志留—泥盆纪维管植物登陆及其演化分异研究；（3）中生代海生脊椎动物群和两栖类、爬行类的研究。新组建的前寒武纪地球生物学研究团队，也已形成一定的学术影响力。近5年来，主导或合作发表大量科研成果，其中包括3篇Nature、2篇Science、1篇Nature Communications及3篇PNAS论文。

古生代无脊椎动物群、地层学和古环境是研究所的重点研究领域。近10余年来，该所在中国寒武纪—石炭纪地层中系统采集数万枚动物化石标本，对其形态、结构、系统分类的研究，增进了人们对华南、华北、新疆等地区古生代海生无脊椎动物多样性的认识；在中国寒武纪地层发现化石胚胎Markuelia，发现一系列寒武纪“奥斯坦型”磷酸盐化保存的三维软躯体节肢动物；详细研究了寒武—奥陶纪微生物礁和最早的苔藓动物礁；发现华南早奥陶世软躯体埋藏的浅水型群落——分乡动物群；系统描述、厘定及新建立泥盆—石炭纪腕足、牙形类、介形类、珊瑚、菊石等多门类海洋动物数百种，并以此为依据，建立或厘定华南和北疆关键地区的中泥盆世—早石炭世生物组合带；依据对海生无脊椎动物化石的深入研究，对中国若干关键地区的区域地层（特别是泥盆系-下石炭统）进行精细划分和对比，系统研究了泥盆纪晚期的弗拉—法门之交的绝灭事件（显生宙五次大绝灭之一）、泥盆—石炭纪之交的生物事件，提出弗拉—法门之交生物的阶梯式绝灭模式，揭示了华南泥盆—石炭纪之交的底栖动物演替规律。近10余年来，该研究所在这一领域的研究成果在Nature、Palaeontology、Palaeogeography-Palaeoclimatology-Palaeoecology等国际重要期刊发表SCI论文160余篇。

维管植物登陆及其早期演化的研究，是研究所的一大特色方向。新发现或重新研究早期陆生维管植物的代表分子50余属，使得华南成为研究“植物登陆”的关键地区之一。一系列保存精美的新植物的发现，修正了维管植物演化模式的传统认识。基于华南证据，该所提出植物根系、叶器官在早泥盆世的多次起源，提出早泥盆世维管植物大爆发假说；发现东亚地区多样化的早期种子植物；发现最古老的具根系土壤，揭示了早期维管植物的成土作用（Xue et al., 2016, PNAS封面文章）。

PNAS封面图片：4.1亿年前的原始土壤及植物根状茎化石

研究所以江大勇教授等为主导，组建了国际团队，对中生代海生爬行动物的起源和多样性演变、古环境背景等开展了近20年的长期研究，取得了一系列研究成果。2010年Science杂志以“Excavation Yields Tantalizing Hints of Earliest Marine Reptiles （科学发掘揭示最早的海生爬行动物）”为题对该团队在安徽巢湖的科学考察进行焦点报道。2014年，该团队发表Nature文章，报道了最原始的鱼龙形动物——柔腕短吻龙，填补了陆地祖先与完全适应海洋生活的鱼龙之间的演化环节，提出鱼龙类很可能起源于中国的科学假说。后续，该团队又提出鱼龙形动物在早三叠世晚期演化速度非常快，且在其起源后的最初一百万年（斯帕斯亚期）里生物多样性快速发展，并快速占据不同的生境。

研究所的长江特聘教授高克勤长期致力于中生代陆地脊椎动物的研究，多次主持和参加冀北-辽西、山东山旺、甘肃北山以及外蒙戈壁等地区的科学考察和化石发掘，采集并系统研究了大量脊椎动物化石，在侏罗纪-白垩纪离龙类生态、形态分异及系统演化以及蝾螈类起源、分支系统演化及生物古地理分析等方面做出了突出贡献。2012年，研究命名了一种蝾螈类——建平北燕螈（Gao and Shubin, 2012, PNAS），代表蝾螈亚目最早的化石记录，为研究确定蝾螈亚目的起源时间提供了重要的化石证据。高克勤教授还参加了恐龙羽毛颜色的联合攻关研究，复原了赫氏近鸟龙、小盗龙的羽毛颜色（Li et al.,2010,2012,Science），发现带羽毛恐龙的关键生理转变（Li et al.,2014, Nature）。

最原始的鱼龙形动物——柔腕短吻龙

蝾螈亚目最早的化石记录——建平北燕螈

2012年，该研究所引进“青年千人计划”沈冰博士，组建了前寒武纪地球生物学研究团队。2016年，沈冰课题组通过对新元古代臼齿碳酸盐岩的镁、硫同位素分析，提出了新元古代海底甲烷大量释放这一新的假说，这为探索地球早期气候变迁提供了新的思路（Shen et al., 2016, Nature Communications）。同年，该课题组利用镁同位素揭示了新元古代全球冰期结束过程中强烈的化学风化作用，直接验证了雪球地球理论，但该项研究成果也对雪球地球理论进行了修正（Huang et al., 2016, PNAS）。

秉承传统、开拓创新。在未来的5至10年，该研究所拟在上述领域继续保持传统优势，发表更多高水平研究论文，鼓励并推动古生物学的综合性、理论性研究以及学术专著和高水平教材的出版，拟扩大国际合作与交流，增加对国际学术活动的领导权。通过努力奋斗，研究所以期建立具有国际引领作用的学术力量，立足于中国的区域性、案例性研究优势，培育原始创新，推动理论创新，在更为普遍的进化生物学与环境演化问题上，在国际学术圈形成北大独特的影响力。

科