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一天發4篇《自然》！重建志留紀早期“水族館”

志留紀


一天發4篇《自然》！重建志留紀早期“水族館”


Nature封面為最新發現的5種志留紀古魚新屬種的三維藝術復原，從上到下分別為蠕紋沈氏棘魚、新塑梵凈山魚、雙列黔齒魚、靈動土家魚和奇跡秀山魚 。
據中國科學報（胡珉琦）：Nature封面為最新發現的5種志留紀古魚新屬種的三維藝術復原，從上到下分別為蠕紋沈氏棘魚、新塑梵凈山魚、雙列黔齒魚、靈動土家魚和奇跡秀山魚 。
9月28日晚11點 ， 《自然》雜志在同一期發表了同一團隊的四篇論文，29日又以封面文章同期發表，它們皆出自中國科學院院士、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）研究員朱敏團隊 。
“一鍵四連”的操作，驚嘆了整個古生物學界 。
國際古脊椎動物學會前主席、澳大利亞弗林德斯大學教授John Long撰文稱：它們改寫了有頜脊椎動物早期演化歷史的幾乎所有方面 。
朱敏對這些說法有些惶恐 。他更喜歡同行羨慕地對他說：“你們重建了志留紀早期的一個‘水族館’ 。”
“水族館”里有什么？當研究團隊在第一篇論文中試圖回答這個問題時 ， 曾接連遭遇了《自然》《科學》審稿人的三輪斃稿 。
非凡的結論，要有非凡的證據 。朱敏團隊為了尋找演化的證據究竟付出了什么？ 
尋找“幽靈支系”
過去十余年，朱敏一直在跟一群“幽靈”一樣的化石死磕 。
奧陶紀末（約4.44億年前），地球歷史上發生了第一次大規模生物集群滅絕事件，85%的物種都消失了 ?？伤鼌s為魚類進化過程中的一場大革命搭好了舞臺，那就是有頜類的崛起 。
現今地球上有99.8%的脊椎動物都是有頜類，沒有頜，就沒有喋喋不休的人類 ?？梢?，頜的出現是生命演化史上一次重要的飛躍 。
“有頜類之所以能一統天下，是因為它不僅提高了脊椎動物主動攝食的能力，還促進了呼吸和運動能力，使體型能迅速增大，這樣，它就能夠占領更為廣闊的生態位，直至登上陸地，甚至飛上藍天 。”古脊椎所副研究員朱幼安說，脊椎動物整個演化潛力都因此得到了極大的提高 。
那么，如此重要的演化事件是怎么發生的？
分子生物學家早就通過對現生的有頜脊椎動物進行分子鐘研究，推算出它們的共同祖先誕生于志留紀之前的奧陶紀晚期（約4.5億年前），因此，最原始的有頜類不會晚于這個時間 。但全世界的古生物學家找遍了志留紀地層 ， 發現原始有頜類化石非常少 ， 在志留紀早期 ， 有頜類甚至可說是無影無蹤 。
明知它們存在，卻怎么也找不到，志留紀早期的有頜類就這樣成為了古生物學領域的“幽靈支系” 。找到它們，就是各國古生物學家們苦苦尋求的“圣杯” 。
于是，朱敏帶領團隊踏遍了中國志留紀地層可能含魚化石的兩百多個地點 。直到2019年，他們終于在貴州、湖南、重慶等地相繼發現了貴州石阡化石庫和重慶特異埋藏化石庫（距今約4.39億至4.36億年），志留紀早期有頜魚類的“搖籃”和 “史前水族館”得以重見天日 。
那里有最古老的有頜類牙齒——黔齒魚的齒旋，它們把有頜類牙齒的最早化石證據向前推進了1400萬年；名為“奇跡秀山魚”的盾皮魚類，它的多種骨骼特征，為有頜脊椎動物頭骨的演化提供了直接證據；名為“蠕紋沈氏棘魚”的軟骨魚，顯示了鯊魚“披盔戴甲”的祖先；名為“新塑梵凈山魚”的棘刺鯊魚 ， 解決了志留紀早期魚類鱗片和棘刺化石的分類爭議；還有同時期的一種盔甲魚，它雖是無頜類，但研究人員第一次在魚類身上發現了成對的連續鰭褶，代表了偶鰭或人類四肢的雛形……
古脊椎所研究員蓋志琨認為，“這些化石的發現和研究，為解決許多懸而未決的爭議問題，為重建有頜脊椎動物的早期演化歷史 ， 提供了非常重要的證據” 。
“僵持不前”是一種常態
要“復原”一個志留紀早期的“水族館” ， 研究團隊到底采集了多少化石，準確說是包裹著化石的巖石？
它的單位是以噸計的 。僅2019年一年，團隊在貴州石阡坉坪剖面就挖出了好幾卡車的巖石，重達4噸，運到了曲靖師范學院自然歷史文化中心的實驗室 。
接來的一年半時間里，三名全職科研助理再加兩名機動隊員，在一間30平米的酸處理實驗室，不間斷地展開工作 。
他們先要把4噸巖石分批泡進密密麻麻排列著的醋水池里 ， 幾天后，用清水沖洗，再降低濃度進行二次浸泡，直到巖石里的膠結物被徹底腐蝕掉，剩下一堆砂子 。
這樣反復篩洗，最終得到了300公斤可能夾雜著化石的砂樣 。
如果說 ， 這個流程只是一項并不費腦的重復勞動 ， 那么接下來的環節，絕對是一個“良心活兒” 。
因為研究人員要把這些砂樣分成一小撮一小撮，逐一放到顯微鏡下，去尋找微體化石的蛛絲馬跡 。他們最終找到的23顆黔齒魚齒旋，平均長度只有2.5毫米，稍不留意，就會錯過 。
這場“沙里淘金”的歷練中，人的耐心和信念感 ， 很容易隨著被篩的砂樣一并帶走 。
在無數個一無所獲的夜里，年輕的科研工作者恨不得從疲憊的大腦中，拎出之前對古生物學的所有浪漫想象，一頓“拳打腳踢” 。
“所以 ， 做這份工作一定要有強烈的好奇心 。你就想知道砂子里有什么？它們到底有多重要？你才不會輕易放過它們 。”朱幼安說道 。
這樣的情緒折磨 ， 朱敏體驗過太多次了 。
從2008年開始，他就帶著團隊對中國志留紀自下而上發育出的三套淺海紅層進行了地毯式搜索，分別是下紅層、上紅層和羅德洛統紅層 。這些地層遍布安徽、浙江、江蘇、湖北、湖南、貴州、重慶、四川、新疆等地 。
老一輩古生物學家、地質學家從上世紀60年代起，就在這些地層中挖出過有頜類的微體化石，比如棘刺、鱗片 。其中也包括貴州石阡和重慶秀山 。可即使有了這些明確的線索 ， 尋找化石的過程依然同大海撈針一樣艱難 。
整整十年 ， 研究團隊發現的化石雖然從多樣性上有所增加，但無論是化石的年代還是完整性，都沒有質的突破 。
“越往后，能分析出一些化石的層位里，巖石樣本也越來越少，真的很困擾我們 ?！敝烀籼钩?nbsp;， “僵持不前”才是古生物學家野外工作的常態 。
2019年春節一過，朱敏又一次帶著團隊跑到廣西野外，他仍不死心，決定再繞回貴州石阡 。
“結果剛到了原來的老剖面，我一下就看到旁邊新開了一條公路，它就這么直直地橫穿了一套志留紀的地層 ?！辈还芑貞浂嗌俦?，朱敏的眼里都閃著光 。
這條公路，仿佛是一條時光隧道，終于撕開了遮蓋志留紀早期有頜類演化歷史的屏障 。
朱敏派出趙文金研究員帶隊 ， 用了小半年時間，在這個新發現的坉坪坡面逐層采樣，直到他們找到了過去從未發現過的化石富集層 。
重慶特異埋藏動物群的發現有著相似的故事 。
從2019年9月到2020年10月，朱敏團隊憑借地圖軟件上發現的一條新路，摸到了一個重要的化石線索 ， 于是一鼓作氣，連續三次在秀山川河蓋地區開展了大規模挖掘工作，才揭開了這個嶄新化石群的樣貌 。
尋找化石其實并沒有“運氣”一說，有的只是在正確的科學目標和前人給出的地質線索中，堅持長期主義 。
手把手帶出一支“地方軍”
2020年10月12日那天 ， 博士后李強第一次和重慶特異埋藏動物群打了個“照面”，興奮之余，他長長地松了一口氣 。因為很長時間找不到讓人眼前一亮的化石，他特別擔心導師會對自己失望 。
李強在朱敏的博士后中有些特殊 。他目前是曲靖師范學院的副教授 ， 加入朱敏團隊后，又被導師安排到重慶地質礦產研究院聯合培養，正是負責重慶野外科考的主力 。
在這四篇論文中 ， 李強的名字多次出現，有的還是論文一作 。和他一樣，在一系列長長的作者名單里，有好幾位成員都來自西南地區這所名不見經傳的地方學院——曲靖師范學院 。這些年輕人正是朱敏課題組花了4年時間 ， 手把手帶出來的“地方軍” 。
云南曲靖是朱敏的“第二故鄉” 。早在100年前，中國地質學奠基人丁文江就在那里開始地質調查工作 。上世紀80年代，朱敏的導師、中科院院士張彌曼也是在曲靖進行化石發掘 ， 朱敏延續了張老師的研究工作，從不曾間斷 。
“曲靖是全世界古魚類學家心中的‘朝圣之地’ ?！敝烀暨@樣形容 。因為那里保存了一套從志留紀到泥盆紀的完整地層，有關肉鰭魚類 ， 即后來登陸的魚的早期演化重要發現都來自那里 。
如果說泥盆紀是“魚類的時代”，那么曲靖就是魚類時代的“王國”，如今 ， 朱敏正是它的守門人 。
2018年5月，古脊椎所與曲靖師范學院合作共建曲靖師院自然歷史文化研究中心，立足于曲靖這片土地上的古魚化石研究 ， 培養一支當地的青年人才隊伍，幫助地方高校提升科研能力，也促進當地的古生物資源保護 。
在古生物領域，以人類演化時間為中心 ， 越久遠的便越少人關注，也越冷清 。作為研究所里的“低等室”，朱敏課題組的規模很有限，正式科研人員只有5名，學生也不多 。
“那么豐富的化石資源并不屬于某一個研究團隊，光靠我們幾個人 ， 一輩子也做不完 。”因此，朱敏也希望通過培養當地的青年學者來壯大古脊椎所的研究隊伍 。這也符合他一貫的理念：英雄不問出處 。
在朱敏的引薦下，專攻微體化石的英國伯明翰大學安爵輔（P. Andreev）博士正式加入曲靖師范學院 ， 這是學院引進的第一位專職外籍研究人員 。他也是此次黔齒魚齒旋和梵凈山魚研究兩篇Nature論文的第一作者 。
惜才的朱敏，還陸續推薦了古脊椎所的多位博士到學院任教，其中一位還是原本打算放棄本專業轉考公務員的學生 。
過去幾年 ， 朱敏經常派出課題組成員趙文金、蓋志琨、盧靜、朱幼安，為學院師生們上課、培訓 。
他還專門給學生們建了一個數據庫，里面收藏了4萬余篇文獻 。學生們的每一篇論文 ， 他都會精確到每一個文字、每一個標點、每一篇參考文獻進行修改 。李強回憶說，自己讀博士后的第一篇文章，朱敏整整改了65稿 。
朱幼安還記得，中心建立之初，他第一次推開朱敏辦公室的門，發現導師抱著一個筆記本 ， 就窩在一把椅子上敲字，其余什么辦公工具都沒有，這樣一坐就是一天，朱敏卻毫不在意 。
今年是朱敏受聘中心主任的第五年，但他一分錢工資也沒領過 。朱敏希望，通過張彌曼院士和自己的力量，聚集起更多青年科研人員和平臺的力量 ， 去推動一所地方學校的特色科研事業 。
朱敏告訴《中國科學報》，目前他已開始在重慶地研院培養一支野外地質調查與研究隊伍，這對接下來重慶特異埋藏化石庫的持續發掘、保護與利用至關重要 。
來自審稿人的強力“狙擊”
發現過程難，發表過程同樣不易 。
2022年7月 ，朱敏團隊的第四篇論文距離第一輪投稿已經過去快10個月了 。
朱幼安終于收到了來自審稿人的第四輪意見信，上面只有一行字：The revision is completed 。
他的神經幾乎緊繃到了最后一刻 ， 這是有緣由的 。
研究團隊在這篇論文里詳細描述了迄今所知最早的保存完好的軟骨魚——沈氏棘魚，從而確證了困擾古生物學界很多年的鯊魚祖先問題，同時，分析了奇跡秀山魚的多種特征，為現生有頜脊椎動物的頭骨演化提供了重要資料 。
“我們想象中，接下來的劇本應該是這樣的：我們發現分析了這么重要的化石標本，編輯應該對此‘五體投地’ ， 審稿人對此“佩服之至”，最后催促我們趕緊發表 ?！敝煊装策呅呑猿?。
可在現實中，這篇論文從一開始就遭到了審稿人的強力“狙擊” 。
“論文正文只有4000字，但第一輪審稿意見我們就寫了8000字的回復，第二輪4000字，第三輪稍有不慎，只寫了2000字，于是，直接被推入第四輪 ?！敝煊装哺嬖V《中國科學報》 。
“其實所有的審稿意見幾乎都圍繞在比較解剖學中一些很細小的問題 ?！彼忉屨f ， 比如秀山魚頭頂有一個從沒在其他盾皮魚里見過的關節，它與文章解釋的頭與頸部運動以及頭骨演化有關，但審稿人說什么都看不清這一結構 。
好在，研究團隊有備而來 。
早在研究過程中，課題組就引入了一種全新的拍照技術——全光位拍攝 。這種技術原本是法醫用來做筆跡鑒定的 。計算機軟件會合成一個可以隨意運動的虛擬光源，從40多個不同角度對物體表面打光、拍攝，并生成物體表面細微紋理的三維模型 。
“用在古生物成像領域 ， 它可以全方位地呈現一個化石細微部位的三維結構，避免人為打光的主觀成分 ， 避免給出一個作者內心想要呈現的化石樣貌 。”
于是，朱幼安又花了一個月時間 ， 重新拍攝整理了這組全光位照片，打包發給了審稿人，這個問題才算過關 。
最讓研究團隊意想不到的是，審稿人罕見地摳起了文章的親緣關系分析 。通常，審稿人不會詳細檢查親緣關系分析所用的矩陣中的上萬個編碼，而且對大的矩陣進行分析需要使用超算平臺進行大規模的運算 。
在這篇論文里 ， 向來重視數學分析的朱敏要求團隊對300多個屬種、近700個特征的矩陣進行貝葉斯分析，從而確保據此提出的親緣關系理論和系統發育框架是可信的 。
“一旦有審稿人對此提出任何質疑 ， 一次大規模的分析就要在服務器上最少跑上10天 。這也意味著，在此期間，研究所其他課題組的超算工作必須全部讓位 ?！北M管如此，朱幼安還是做到了有問必應 。
事實上，這并不是這組稿件中唯一一篇歷經“磨難”的論文 。
朱敏團隊的第一篇文章就曾因為一些細枝末節的爭議問題，接連遭遇《自然》《科學》審稿人的三輪斃稿 。由于同一主題其他文章的出現，編輯部意識到這一系列化石研究的重要價值，才把這篇論文又重新“撈”了回來 。
“審稿人的研究風格、審美喜好是不可預料的，你總會遇到一些喜歡嚴厲‘鞭打’你的人 。但結果取決于我們是否足夠細致，我們給出的證據是否能經受住任何考驗 。如果我們能認認真真回答審稿人給出的哪怕是很苛刻的問題，那么文章發表以后的幾十年，甚至上百年，我們的結論都是立得住的，是可靠的 ?！?br>朱敏總是這樣勸慰自己的學生，“幾億年前的化石都找到了 ， 這點審稿時間更要沉得住氣” 。
相關論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05166-2https://doi.org/10.1038/s41586-022-05136-8https://doi.org/10.1038/s41586-022-04897-6https://doi.org/10.1038/s41586-022-05233-8