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          科大人物
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          王碩教授團隊:穿越億年的時空對話

          作者:唐雯  審核:李鯤鵬 來源:報社 編輯:韓玉花   點擊: 日期:2022-03-02

          2月1日,植物學國際頂級期刊《自然-植物(Nature Plants)》以封面論文形式報道了我校海洋學院王碩教授團隊的最新研究成果——在一億年前的琥珀化石中發現了最古老的完整花朵,并在現在的南非開普地區找到了這種花的現存后裔。這些曾經在恐龍腳下綻放過的小花,填補了億年前現存開花植物缺失的空白,一定程度上回答了爭論160多年的國際謎題。

          抱著“金磚”去敲門

          王碩畢業于昆明理工大學,碩博連讀期間跟隨導師在中國科學院昆明植物研究所進行課題的開展與研究,也正是在那里,王碩與師兄施超相遇。

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          “我當時在做DNA檢測方面的課題,剛好王碩分配在了我這個組,一次很偶然的機會我們談論起琥珀,沒想到一拍即合,決定試試從琥珀中提取DNA?!笔┏貞浀?,2011年,志同道合的他們迅即展開了這方面的研究,然而讓他們沒想到的是,由于內含物極其微量,不足以區分提取的DNA是內含物本身的還是外界的,所以將基因組學的種種技術手段運用在琥珀化石標本上進行的各種實驗,均以失敗告終。但即便前路艱辛,對他們來說,選擇這條大多數人并不看好的路,是出于科研工作者敏銳的好奇心和強烈的責任感,王碩常說:“我們只是在生命進化海岸上拾貝的孩子,能研究這些珍貴的化石是我的榮幸?!睋┏榻B,琥珀的形成需要經歷復雜的理化性質變化,除了產出樹脂的植物種類不同,還與產地的地質條件和形成年代等不可控因素密切相關。其中,科學家通過對出產緬甸琥珀的地層進行鋯石的年齡測算發現,緬甸琥珀至少形成于約9900萬年前,那時地球尚處于白堊紀中期,大型恐龍還可以在地球上閑庭信步,新生的哺乳類動物尚處于演化的初級階段。這一時期,被子植物開始繁盛并創造了大量新的生態位,與被子植物密切相關的其他生物也進入快速演化期,各種生物的發展奠定了現生生態環境的原始雛形。和普通化石不同,琥珀化石最大的優勢在于能保留植物、昆蟲的表面細節和內部三維結構,幫助科學家揭開世界上億年前古老的秘密??粗媲暗溺?,他們想揭開琥珀背后的故事?!敖昵?,我從琥珀化石中注意到這種植物標本,并開始在中科院昆明植物所和北京植物所向分類學前輩請教學習?!蓖醮T說。

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          從那時起,他們就開啟了抱著“金磚”去敲門的日子,二人不斷向業內專家請教。當時是基因組學正火的時候,人們往往更多看到琥珀的藝術價值和商業價值,極少注意到琥珀的科研價值。但他們從未放棄,2016年王碩曾在《科學》雜志發表文章,呼吁科學家們關注琥珀的科研價值。慢慢地,他們的研究被學術界了解,在2017年第19屆國際植物學大會上,國外的會議組織者經過多次輾轉聯系到王碩,邀請她到深圳做琥珀相關研究匯報。在會上,王碩展示了許多琥珀標本照片,領域內許多學術大咖都在現場。 Else Maria Friis院士驚呼“我一生所見過的化石總和都不如你PPT里展示的多”。會后同行們互相交流碰撞,許多專家現在依舊與王碩團隊保持著良好的合作關系。

          隨著緬甸琥珀形成年代的確定,琥珀內含物的科研價值很快得到古生物學界的認可和重視,越來越多的古生物學者開始著重研究緬甸琥珀。隨著科研工作的不斷推進,9900萬年前遠古時代生物多樣性的神秘面紗正在被科學家們慢慢揭開,這個超越時空的史前世界輪廓,正在逐漸清晰起來。

          讓“啞巴證人”開口說話

          在已知的琥珀類群中,緬甸琥珀形成于約1億年前。這些琥珀里大概有1%的比例包含有化石內含物,這1%中又有九成以上是昆蟲,只有不到一成是植物?!斑€有許多未知的植物需要我們進一步去揭示?!笔┏f。目前王碩所在團隊的主要精力,放在了數量最少也最難解析的植物琥珀化石上。本研究所用的21塊琥珀中的24個標本包含了該植物的莖、葉、花(含子房)、果實(含種子)和花粉,并完整復原了該植物從幼年到成熟的生長發育全過程,是迄今為止國際上最完整的植物化石研究。

          讓這些“啞巴證人”開口說話并不是一件簡單的事,讓王碩夫婦沒想到的是,這個研究一搞就將近8年。2014年春天,他們帶著40多塊琥珀化石來到昆明植物所進行形態學鑒定,但有部分化石保存狀態不夠好,在后來的CT掃描中得不到清晰的三維結構,最終確定了21塊琥珀化石模式標本?!耙婚_始也沒想到這個研究需要這么長的時間,但是隨著研究的不斷推進,我們發現這些琥珀中保存下來的植物標本,遠比想象的更有價值?!蓖醮T說,不論是微距拍攝設備的定制升級還是材料標本的鑒定,研究的各個方面都走過很多彎路,一切看似簡單卻并不容易。要做琥珀的研究,就需要掃描其內部結構,當時王碩帶著學生輾轉青島、濟南、南京、蘇州、上海,借助不同的設備掃描獲取琥珀的內部三維結構數據。由于需要不斷調整實驗參數和位置,那段時間他們吃住在實驗室,迫切等待著實驗數據。功夫不負有心人,數據結果證明琥珀中的標本與現生植物結構非常吻合。研究人員在南非的開普植物區找到了與琥珀化石里植物形態特征幾乎一致的現存植物類群。王碩介紹,該類群來自鼠李科Phylica屬,是生長于開普地區的瀕危植物?!坝幸荒甓嗟臅r間,我們都在思考為什么緬甸琥珀化石中植物樣本的現存后裔存活在非洲,大家查了大量的資料,提出了許多設想,但又一一被自己推翻,最后從地質學家關于板塊遷移的研究中,我們獲得了極大地啟發?!笔┏f,他們認為,本研究中的琥珀化石在印度板塊與岡瓦納古陸帶尚未完全分離前(約一億年前)即已形成,隨著岡瓦納古陸的解體和印度板塊的北移,一部分“祖先Phylica”被樹脂包裹并被不斷運動的板塊帶到了緬甸北部,而另一部分被留在了非洲大陸的最南端并繁衍綻放至今?!霸搶僦参锟赡茉谀戏情_普植物區生存繁衍了約1億年,從恐龍繁盛的中生代開始,一直綻放至今?!?王碩說,“起源于新生代以前的裸子植物,像銀杏、水杉等被學術界稱為‘活化石’。1億年前的Phylica至今在形態上幾乎沒有發生任何改變,甚至可以稱其為‘中生代被子植物活化石’?!?/p>

          團隊還結合了昆蟲的相關研究,以及分泌形成這些琥珀的樹脂的植物也分布在南半球等證據,在《自然-植物(Nature Plants)》上發表了11頁的文章,篇幅將近該期刊其他文章的兩倍,并附有71頁的附錄,包括每一塊琥珀化石的詳細數據,呈現每一處細節,打消大家的質疑。他們將該植物類群的起源從三四千萬年前一下子推進到了一億年前,這些珍貴的化石標本作為進化生物學研究的“硬證據”,為板塊運動學說提供了重要的化石證據。

          穿越古今的“活化石”

          雖然今天看到的銀杏、蘇鐵同樣生長在恐龍時代,但Phylica Piloburmensis是已知第一種中生代開花植物“活化石”。它們可能成為解開達爾文“討厭之謎”的“金鑰匙”。 被子植物又稱開花植物,是現代陸地生態環境的基石,更是人類文明延續和發展的重要基礎。目前已知最古老的被子植物發現于中生代,但在距今一億多年前的白堊紀地層中忽然大量出現,卻沒有發現更早地質時期的祖先譜系證據,它的起源與演化過程一直是古生物學和分子系統學中重要的科學問題。這個問題也讓達爾文感到十分疑惑,達爾文在1879年寫給植物學家約瑟夫·胡克的一封私人信件中,將其描述為“討厭之謎”。

          “南非是地球生物多樣性中心之一,那里擁有9000多個植物物種,其中90%處于瀕危狀態,這些植物在其他地方沒有分布,所以從生物進化的角度來說,南非是獨特且古怪的區域。這次的發現也在一定程度上解開了大家的困惑?!笔┏f,此次研究通過基因進化進行推演,鼠李科的出現可能要比一億一千萬年還要早上若干千萬年。這將被子植物的出現時期向前推進了,完全出乎古植物學家的預料?!案珊笛谉岘h境的南非經常出現野火,一億年前大氣氧含量高約30%,加上當時地質活動頻繁,更容易導致火災,我們從琥珀化石中發現了被火燒過的植物殘骸,佐證了在白堊紀中期頻繁發生的火災,這也與地質研究的相關論文觀點吻合?!笔┏f,該研究發現的植物化石也表現出對頻繁野火的高度適應性,如細長且緊緊聚縮在一起的葉片、被葉片緊緊裹護著的花朵、表面密實的毛被等。這些跡象均表明,被子植物對環境的強適應性可能是其快速輻射演化的一個原因?!笆罄羁剖沁m火性植物,花朵進化出了一種適應環境的形態,并產生了能夠進入被燒毀的土地表面的種子?!蓖醮T說,因此,針對“討厭之謎”,研究團隊提出一個觀點:白堊紀中期頻繁發生的火災可能是被子植物演化的一個重要驅動力,被子植物在早期演化中就對環境有很強的適應性,也許是其至今仍如此繁盛的秘密?!熬挼殓旯爬系男纬赡甏?,以及內含被子植物的豐富程度,或許正是能夠解開這個困擾了人類幾個世紀的謎題的鑰匙,而這還需要科學家們持續大量地研究來發現與證實?!蓖醮T說。

          時至今日,琥珀“活化石”也舊貌換新顏。2018年王碩來到學校,成立進化生態學實驗室?!皩W校被譽為橡膠工業的‘黃埔軍?!?,走政產學研融合之路,從基礎研究到應用研究再到培育上市公司,這條道路我們也可以學習效仿?!蓖醮T說,她受到了“青科大模式”的啟發,團隊在基礎研究的基礎上不斷拓展產業化應用,讓琥珀“舊貌換新顏”。因為琥珀具有絕熱的性質,他們將琥珀碎料打成粉,再經過高溫高壓重塑工藝,將這些“活化石”變成可以在日常生活中使用的器皿,王碩主持的“撫順煤礦固廢中琥珀顆粒再利用制作與食品相關器皿關鍵技術”和“一種琥珀包裝罐高效生產裝置”分別于2020年和2021年獲得遼寧省輕工行業科技進步獎一等獎。施超說:“我們一直有一個建造琥珀博物館的夢想,打造集科研、教育、科普、收藏、保護、展示和文化傳播于一體的一流國際合作平臺,目前也正在讓這個夢想成為現實。琥珀是中華文化遺產的一部分,我們的祖先曾留下大量歌詠琥珀的詩詞,以及解讀其藥用價值的典籍。希望能通過我們這一代人的努力,再續中華民族的琥珀情緣,不但深入解讀其科研價值,還用最新的技術手段為琥珀重新賦能,讓琥珀走進尋常百姓家,也重新詮釋‘玉碗盛來琥珀光’?!?/p>

          琥珀是凝固的時光,瞬間的永恒,它熠熠生輝又若隱若現,是穿越億年的生命留言?!吧飳W的核心問題是探索生命是如何起源的,既然我們獲得了珍貴的化石材料,就要把它物盡其用,如果草草處理,對科學界可能是很大的損失,因為這些化石一旦錯過可能就錯過了幾千萬年。反之,一塊化石也可能將某一領域的研究進展推進許多,引起科學界的顫動。既然做了就要把它做好,這是我們一直秉承的信念?!蓖醮T如是說道。

          團隊介紹:

          團隊主要研究方向為基于基因組學與琥珀化石兩個層面的進化生態學工作,其中包括昆蟲、植物以及真菌等部分生物類群的起源、演化以及相關的板塊漂移、生態適應、氣候變化等問題。團隊現有成員12人,其中教授2人,博士研究生2人,碩士研究生8人,研究團隊以王碩和施超兩位教授領銜。

          王碩畢業于昆明理工大學,施超畢業于中國科學院昆明植物研究所。兩位教授共在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等刊物上發表論文70余篇,部分成果受到新華社、人民日報、CCTV中央廣播電視總臺、光明日報、環球時報等主流媒體報道。

          實驗室收藏34700份以上包含化石內含物的天然琥珀,為大英博物館常展量的32倍,美國自然歷史博物館常展量的269倍,按照我國標準足夠支撐93家二級博物館同時展出。雖然團隊建立僅3年,但是成果豐富,目前以青島科技大學作為第一單位發表SCI論文近50篇,并在Nature Ecology & Evolution雜志上發表關于反對禁止緬甸琥珀科研的觀點文章,得到了國際同行評審專家的高度評價,引起較大反響。

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