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王硕教授团队:穿越亿年的时空对话

作者:唐雯  审核:李鲲鹏 来源:报社 编辑:韩玉花   点击: 日期:2022-03-02

2月1日,植物学国际顶级期刊《自然-植物(Nature Plants)》以封面论文形式报道了我校海洋学院王硕教授团队的最新研究成果——在一亿年前的琥珀化石中发现了最古老的完整花朵,并在现在的南非开普地区找到了这种花的现存后裔。这些曾经在恐龙脚下绽放过的小花,填补了亿年前现存开花植物缺失的空白,一定程度上回答了争论160多年的国际谜题。

抱着“金砖”去敲门

王硕毕业于昆明理工大学,硕博连读期间跟随导师在中国科学院昆明植物研究所进行课题的开展与研究,也正是在那里,王硕与师兄施超相遇。

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“我当时在做DNA检测方面的课题,刚好王硕分配在了我这个组,一次很偶然的机会我们谈论起琥珀,没想到一拍即合,决定试试从琥珀中提取DNA。”施超回忆道,2011年,志同道合的他们迅即展开了这方面的研究,然而让他们没想到的是,由于内含物极其微量,不足以区分提取的DNA是内含物本身的还是外界的,所以将基因组学的种种技术手段运用在琥珀化石标本上进行的各种实验,均以失败告终。但即便前路艰辛,对他们来说,选择这条大多数人并不看好的路,是出于科研工作者敏锐的好奇心和强烈的责任感,王硕常说:“我们只是在生命进化海岸上拾贝的孩子,能研究这些珍贵的化石是我的荣幸。”据施超介绍,琥珀的形成需要经历复杂的理化性质变化,除了产出树脂的植物种类不同,还与产地的地质条件和形成年代等不可控因素密切相关。其中,科学家通过对出产缅甸琥珀的地层进行锆石的年龄测算发现,缅甸琥珀至少形成于约9900万年前,那时地球尚处于白垩纪中期,大型恐龙还可以在地球上闲庭信步,新生的哺乳类动物尚处于演化的初级阶段。这一时期,被子植物开始繁盛并创造了大量新的生态位,与被子植物密切相关的其他生物也进入快速演化期,各种生物的发展奠定了现生生态环境的原始雏形。和普通化石不同,琥珀化石最大的优势在于能保留植物、昆虫的表面细节和内部三维结构,帮助科学家揭开世界上亿年前古老的秘密。看着面前的琥珀,他们想揭开琥珀背后的故事。“近十年前,我从琥珀化石中注意到这种植物标本,并开始在中科院昆明植物所和北京植物所向分类学前辈请教学习。”王硕说。

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从那时起,他们就开启了抱着“金砖”去敲门的日子,二人不断向业内专家请教。当时是基因组学正火的时候,人们往往更多看到琥珀的艺术价值和商业价值,极少注意到琥珀的科研价值。但他们从未放弃,2016年王硕曾在《科学》杂志发表文章,呼吁科学家们关注琥珀的科研价值。慢慢地,他们的研究被学术界了解,在2017年第19届国际植物学大会上,国外的会议组织者经过多次辗转联系到王硕,邀请她到深圳做琥珀相关研究汇报。在会上,王硕展示了许多琥珀标本照片,领域内许多学术大咖都在现场。 Else Maria Friis院士惊呼“我一生所见过的化石总和都不如你PPT里展示的多”。会后同行们互相交流碰撞,许多专家现在依旧与王硕团队保持着良好的合作关系。

随着缅甸琥珀形成年代的确定,琥珀内含物的科研价值很快得到古生物学界的认可和重视,越来越多的古生物学者开始着重研究缅甸琥珀。随着科研工作的不断推进,9900万年前远古时代生物多样性的神秘面纱正在被科学家们慢慢揭开,这个超越时空的史前世界轮廓,正在逐渐清晰起来。

让“哑巴证人”开口说话

在已知的琥珀类群中,缅甸琥珀形成于约1亿年前。这些琥珀里大概有1%的比例包含有化石内含物,这1%中又有九成以上是昆虫,只有不到一成是植物。“还有许多未知的植物需要我们进一步去揭示。”施超说。目前王硕所在团队的主要精力,放在了数量最少也最难解析的植物琥珀化石上。本研究所用的21块琥珀中的24个标本包含了该植物的茎、叶、花(含子房)、果实(含种子)和花粉,并完整复原了该植物从幼年到成熟的生长发育全过程,是迄今为止国际上最完整的植物化石研究。

让这些“哑巴证人”开口说话并不是一件简单的事,让王硕夫妇没想到的是,这个研究一搞就将近8年。2014年春天,他们带着40多块琥珀化石来到昆明植物所进行形态学鉴定,但有部分化石保存状态不够好,在后来的CT扫描中得不到清晰的三维结构,最终确定了21块琥珀化石模式标本。“一开始也没想到这个研究需要这么长的时间,但是随着研究的不断推进,我们发现这些琥珀中保存下来的植物标本,远比想象的更有价值。”王硕说,不论是微距拍摄设备的定制升级还是材料标本的鉴定,研究的各个方面都走过很多弯路,一切看似简单却并不容易。要做琥珀的研究,就需要扫描其内部结构,当时王硕带着学生辗转青岛、济南、南京、苏州、上海,借助不同的设备扫描获取琥珀的内部三维结构数据。由于需要不断调整实验参数和位置,那段时间他们吃住在实验室,迫切等待着实验数据。功夫不负有心人,数据结果证明琥珀中的标本与现生植物结构非常吻合。研究人员在南非的开普植物区找到了与琥珀化石里植物形态特征几乎一致的现存植物类群。王硕介绍,该类群来自鼠李科Phylica属,是生长于开普地区的濒危植物。“有一年多的时间,我们都在思考为什么缅甸琥珀化石中植物样本的现存后裔存活在非洲,大家查了大量的资料,提出了许多设想,但又一一被自己推翻,最后从地质学家关于板块迁移的研究中,我们获得了极大地启发。”施超说,他们认为,本研究中的琥珀化石在印度板块与冈瓦纳古陆带尚未完全分离前(约一亿年前)即已形成,随着冈瓦纳古陆的解体和印度板块的北移,一部分“祖先Phylica”被树脂包裹并被不断运动的板块带到了缅甸北部,而另一部分被留在了非洲大陆的最南端并繁衍绽放至今。“该属植物可能在南非开普植物区生存繁衍了约1亿年,从恐龙繁盛的中生代开始,一直绽放至今。” 王硕说,“起源于新生代以前的裸子植物,像银杏、水杉等被学术界称为‘活化石’。1亿年前的Phylica至今在形态上几乎没有发生任何改变,甚至可以称其为‘中生代被子植物活化石’。”

团队还结合了昆虫的相关研究,以及分泌形成这些琥珀的树脂的植物也分布在南半球等证据,在《自然-植物(Nature Plants)》上发表了11页的文章,篇幅将近该期刊其他文章的两倍,并附有71页的附录,包括每一块琥珀化石的详细数据,呈现每一处细节,打消大家的质疑。他们将该植物类群的起源从三四千万年前一下子推进到了一亿年前,这些珍贵的化石标本作为进化生物学研究的“硬证据”,为板块运动学说提供了重要的化石证据。

穿越古今的“活化石”

虽然今天看到的银杏、苏铁同样生长在恐龙时代,但Phylica Piloburmensis是已知第一种中生代开花植物“活化石”。它们可能成为解开达尔文“讨厌之谜”的“金钥匙”。 被子植物又称开花植物,是现代陆地生态环境的基石,更是人类文明延续和发展的重要基础。目前已知最古老的被子植物发现于中生代,但在距今一亿多年前的白垩纪地层中忽然大量出现,却没有发现更早地质时期的祖先谱系证据,它的起源与演化过程一直是古生物学和分子系统学中重要的科学问题。这个问题也让达尔文感到十分疑惑,达尔文在1879年写给植物学家约瑟夫·胡克的一封私人信件中,将其描述为“讨厌之谜”。

“南非是地球生物多样性中心之一,那里拥有9000多个植物物种,其中90%处于濒危状态,这些植物在其他地方没有分布,所以从生物进化的角度来说,南非是独特且古怪的区域。这次的发现也在一定程度上解开了大家的困惑。”施超说,此次研究通过基因进化进行推演,鼠李科的出现可能要比一亿一千万年还要早上若干千万年。这将被子植物的出现时期向前推进了,完全出乎古植物学家的预料。“干旱炎热环境的南非经常出现野火,一亿年前大气氧含量高约30%,加上当时地质活动频繁,更容易导致火灾,我们从琥珀化石中发现了被火烧过的植物残骸,佐证了在白垩纪中期频繁发生的火灾,这也与地质研究的相关论文观点吻合。”施超说,该研究发现的植物化石也表现出对频繁野火的高度适应性,如细长且紧紧聚缩在一起的叶片、被叶片紧紧裹护着的花朵、表面密实的毛被等。这些迹象均表明,被子植物对环境的强适应性可能是其快速辐射演化的一个原因。“鼠李科是适火性植物,花朵进化出了一种适应环境的形态,并产生了能够进入被烧毁的土地表面的种子。”王硕说,因此,针对“讨厌之谜”,研究团队提出一个观点:白垩纪中期频繁发生的火灾可能是被子植物演化的一个重要驱动力,被子植物在早期演化中就对环境有很强的适应性,也许是其至今仍如此繁盛的秘密。“缅甸琥珀古老的形成年代,以及内含被子植物的丰富程度,或许正是能够解开这个困扰了人类几个世纪的谜题的钥匙,而这还需要科学家们持续大量地研究来发现与证实。”王硕说。

时至今日,琥珀“活化石”也旧貌换新颜。2018年王硕来到学校,成立进化生态学实验室。“学校被誉为橡胶工业的‘黄埔军校’,走政产学研融合之路,从基础研究到应用研究再到培育上市公司,这条道路我们也可以学习效仿。”王硕说,她受到了“青科大模式”的启发,团队在基础研究的基础上不断拓展产业化应用,让琥珀“旧貌换新颜”。因为琥珀具有绝热的性质,他们将琥珀碎料打成粉,再经过高温高压重塑工艺,将这些“活化石”变成可以在日常生活中使用的器皿,王硕主持的“抚顺煤矿固废中琥珀颗粒再利用制作与食品相关器皿关键技术”和“一种琥珀包装罐高效生产装置”分别于2020年和2021年获得辽宁省轻工行业科技进步奖一等奖。施超说:“我们一直有一个建造琥珀博物馆的梦想,打造集科研、教育、科普、收藏、保护、展示和文化传播于一体的一流国际合作平台,目前也正在让这个梦想成为现实。琥珀是中华文化遗产的一部分,我们的祖先曾留下大量歌咏琥珀的诗词,以及解读其药用价值的典籍。希望能通过我们这一代人的努力,再续中华民族的琥珀情缘,不但深入解读其科研价值,还用最新的技术手段为琥珀重新赋能,让琥珀走进寻常百姓家,也重新诠释‘玉碗盛来琥珀光’。”

琥珀是凝固的时光,瞬间的永恒,它熠熠生辉又若隐若现,是穿越亿年的生命留言。“生物学的核心问题是探索生命是如何起源的,既然我们获得了珍贵的化石材料,就要把它物尽其用,如果草草处理,对科学界可能是很大的损失,因为这些化石一旦错过可能就错过了几千万年。反之,一块化石也可能将某一领域的研究进展推进许多,引起科学界的颤动。既然做了就要把它做好,这是我们一直秉承的信念。”王硕如是说道。

团队介绍:

团队主要研究方向为基于基因组学与琥珀化石两个层面的进化生态学工作,其中包括昆虫、植物以及真菌等部分生物类群的起源、演化以及相关的板块漂移、生态适应、气候变化等问题。团队现有成员12人,其中教授2人,博士研究生2人,硕士研究生8人,研究团队以王硕和施超两位教授领衔。

王硕毕业于昆明理工大学,施超毕业于中国科学院昆明植物研究所。两位教授共在Nature Plants、PNAS、Current Biology、Molecular Plant、Gondwana Research、Frontiers in Plant Science、Scientific Reports、Frontiers in Genetics、BMC Genomics、Cretaceous Research、PLoS ONE、Palaeoworld、Mitochondrial DNA、Conservation Genetics Resources等刊物上发表论文70余篇,部分成果受到新华社、人民日报、CCTV中央广播电视总台、光明日报、环球时报等主流媒体报道。

实验室收藏34700份以上包含化石内含物的天然琥珀,为大英博物馆常展量的32倍,美国自然历史博物馆常展量的269倍,按照我国标准足够支撑93家二级博物馆同时展出。虽然团队建立仅3年,但是成果丰富,目前以青岛科技大学作为第一单位发表SCI论文近50篇,并在Nature Ecology & Evolution杂志上发表关于反对禁止缅甸琥珀科研的观点文章,得到了国际同行评审专家的高度评价,引起较大反响。

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