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古生物學(xué)是一門古老的學(xué)科，已經(jīng)有兩百多年的歷史。歷史上如始祖鳥、北京猿人等關(guān)鍵化石的發(fā)現(xiàn)都填補(bǔ)了生命演化歷史的空白。如今，新的觀測分析手段，諸如高精度成像與解析技術(shù)、分子古生物學(xué)技術(shù)以及大數(shù)據(jù)和自動(dòng)識(shí)別等，給古生物學(xué)這樣的傳統(tǒng)學(xué)科注入了新的活力，從原有的以及新發(fā)現(xiàn)的化石中挖掘出大量前所未知的全新信息，讓我們逐漸看清遠(yuǎn)古時(shí)代。

張彌曼重建的楊氏魚的蠟質(zhì)模型。古脊椎所供圖

高精度成像與解析：無損傷、高精度了解化石內(nèi)部結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)上，古生物學(xué)家通過肉眼、放大鏡、光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡來觀察和研究生物化石外表的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)。但是，生物化石的很大一部分信息量包含在其內(nèi)部，需要古生物學(xué)家通過其他技術(shù)手段來揭示。如果化石樣本數(shù)量很多，可以考慮直接破壞化石，暴露其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。更為常規(guī)的手段是通過切片或磨片取得化石某一截面的二維結(jié)構(gòu)信息，如果每個(gè)截面之間的距離相等，那么就有可能精確地還原化石內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)，這就是連續(xù)切片或磨片。中國科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所（以下簡稱“古脊椎所”）張彌曼院士就曾應(yīng)用連續(xù)磨片技術(shù)對(duì)肉鰭魚類楊氏魚的頭部進(jìn)行精細(xì)重建，揭示它沒有內(nèi)鼻孔，是原始的肺魚，從而對(duì)尋找登陸魚類的真正直接祖先作出了突出貢獻(xiàn)。不過，這項(xiàng)技術(shù)必須經(jīng)過磨片、素描、蠟片切割和堆疊成模等一系列極為費(fèi)時(shí)而又對(duì)精確度要求極高的過程，因此其應(yīng)用只能局限于數(shù)量很多、又非常重要的化石標(biāo)本，但是這兩個(gè)要求很難同時(shí)滿足。

古脊椎所CT設(shè)備成果：（上）重建的全頜魚上下頜；（下）許家窯人顳骨及其3D復(fù)原的內(nèi)耳迷路。古脊椎所供圖

早在20世紀(jì)中葉，就有古生物學(xué)家嘗試用X光“透視”化石，但簡單地使用X光照射，只能取得照射方向上的一點(diǎn)模糊內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，要重建各個(gè)方向上的全部三維結(jié)構(gòu)信息，就必須使用斷層掃描技術(shù)，這有點(diǎn)像無損的磨片或切片。斷層掃描（CT）最初在醫(yī)學(xué)和制造業(yè)中發(fā)展起來，20世紀(jì)90年代開始，古生物學(xué)家嘗試將此技術(shù)應(yīng)用到化石研究中。由于化石比生物體致密得多，且不同化石的物質(zhì)成分千差萬別，直接套用醫(yī)用CT機(jī)器往往很難達(dá)到理想的掃描效果，研發(fā)古生物研究專用CT就成為迫切需求。在這方面，我國走在了國際前列——2008年，古脊椎所與高能物理研究所和自動(dòng)化所合作研制了全球首套專門應(yīng)用于古生物化石研究的高精度CT，包括225kV顯微工業(yè)CT和450kV通用性工業(yè)CT，并于2011年投入使用。這使得古生物學(xué)家能夠方便、快速、高質(zhì)量地對(duì)不同大小的脊椎動(dòng)物（含人類）化石及現(xiàn)生生物的內(nèi)部精細(xì)形態(tài)和顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損檢測和重建。應(yīng)用這套設(shè)備，古生物學(xué)家迅速取得了一批重要成果，如古脊椎所朱敏團(tuán)隊(duì)對(duì)早期有頜魚類內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重建，補(bǔ)充了“從魚到人”演化史上的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；劉武團(tuán)隊(duì)對(duì)中國重要人類化石基于CT的研究，定量重建了遠(yuǎn)古人類的顱內(nèi)模、內(nèi)耳骨迷路等精細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

付巧妹在研究中。古脊椎所供圖

熱河生物群是世界級(jí)的化石寶庫，產(chǎn)出在演化史上極為重要的脊椎動(dòng)物、植物和昆蟲化石，其中許多化石精細(xì)、完整地保存了生物體的軟組織，如鱗片、羽毛、毛發(fā)等的細(xì)微結(jié)構(gòu)。可惜的是熱河生物群大多數(shù)化石來自湖相沉積，保存為壓扁的板狀，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息往往互相疊壓，普通CT設(shè)備很難對(duì)其進(jìn)行掃描和重建。在國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)支持下，我國研發(fā)了首臺(tái)高分辨板狀化石專用X射線顯微層析成像設(shè)備Micro-CL（Computed Laminography）。這是目前無損檢測大型板狀標(biāo)本內(nèi)部結(jié)構(gòu)的唯一手段，大大滿足了古生物學(xué)界的研究需求，推動(dòng)并加快了對(duì)熱河生物群及其他類似保存狀態(tài)化石研究領(lǐng)域的工作。這一技術(shù)后來在工業(yè)領(lǐng)域也得到運(yùn)用，產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

在此基礎(chǔ)上，針對(duì)制約成像技術(shù)在古生物學(xué)中大規(guī)模應(yīng)用的若干難點(diǎn)，如耗時(shí)長、機(jī)時(shí)有限、重建所需的計(jì)算機(jī)配置高、軟件價(jià)格昂貴等，我國古生物學(xué)者正從多個(gè)角度繼續(xù)探索，攻堅(jiān)克難。

澄江化石地世界自然遺產(chǎn)博物館。新華社發(fā)

在加強(qiáng)研發(fā)的同時(shí)，使用新一代適合古生物學(xué)研究的商業(yè)儀器，可以進(jìn)一步快速獲取高解析度的化石三維結(jié)構(gòu)包括超微結(jié)構(gòu)信息。例如，最近古脊椎所引進(jìn)的微納能譜CT，可以同時(shí)獲得化石內(nèi)部各成分及其空間分布信息，進(jìn)一步推動(dòng)了對(duì)化石內(nèi)部信息的挖掘，而且對(duì)于研究化石的形成條件和過程具有重要意義。古脊椎所研究人員還自主開發(fā)了免費(fèi)的專門處理化石及生物體成像數(shù)據(jù)的渲染處理軟件，推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)在學(xué)科領(lǐng)域的大規(guī)模普及。

能量更高、更集中的同步輻射光源是滿足成像技術(shù)精度和對(duì)比度高要求的唯一解決方案。以前古生物學(xué)家需要到國外如瑞士、澳大利亞等地的同步輻射光源線站進(jìn)行掃描，國內(nèi)的上海光源也提供了一種選擇。值得一提的是，正在建設(shè)的北京光源（HEPS）突破了國際同類線站的局限性，是世界上最亮的第四代同步輻射光源之一，預(yù)計(jì)將在2025年底建成并投入使用。按照計(jì)劃，我國將在北京光源建設(shè)全球首個(gè)專門針對(duì)脊椎動(dòng)物演化、人類起源與古人類遺存研究的同步輻射光源成像和測試平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度、強(qiáng)穿透、低劑量、多尺度分辨、無損的3D化石成像。

與化石成像技術(shù)相伴的還有三維打印技術(shù)。隨著三維打印價(jià)格的下降，這項(xiàng)技術(shù)也逐漸得到普及。將數(shù)字重建所得的化石內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型三維打印出來，可以方便、直觀地對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察研究，以任意放大縮小比例大量制作高精度的模型，用于科研、教學(xué)和科普展示。

分子古生物學(xué)：重建古生物演化歷史的重要工具

古代生物死亡后，不同的有機(jī)物組分保留的時(shí)間長短不一，提供的生物的信息不同，而承載生物體內(nèi)遺傳信息的脫氧核糖核酸（DNA），成為重建古生物演化歷史的重要工具。這一研究方法肇始于20世紀(jì)80年代，21世紀(jì)初期，受益于人類全基因組的發(fā)表和高通量測序技術(shù)的發(fā)展，古DNA領(lǐng)域開始蓬勃發(fā)展。斯萬特·帕博是這一領(lǐng)域的奠基人，開創(chuàng)性地解決了DNA污染問題，搭建了世界上第一個(gè)古DNA研究的超凈室，并設(shè)計(jì)出超凈室的工作規(guī)則。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)重構(gòu)出尼安德特人的基因組，發(fā)現(xiàn)了丹尼索瓦人——首個(gè)僅通過古分子證據(jù)而確認(rèn)的已滅絕古人類。2022年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)也因此頒給了帕博。

古DNA提取物中常常包含大量污染DNA，使得測序的大部分DNA分子都是無用的信息，真正有用的常常不到測序數(shù)據(jù)的1%。對(duì)此，古脊椎所付巧妹研究員和邁耶研發(fā)應(yīng)用了DNA捕獲技術(shù)——通過設(shè)計(jì)DNA或RNA探針，像釣魚一樣把目標(biāo)古DNA從海量的污染DNA中“釣取”出來。這項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于人類古基因組研究中，目前超過2/3的人類古基因組數(shù)據(jù)來自一個(gè)叫“1240k”的探針組的捕獲數(shù)據(jù)。DNA捕獲技術(shù)不僅使得對(duì)古DNA的測序效率大大提高，還能有效從一些棘手的樣本中得到足夠的數(shù)據(jù)。一個(gè)典型的例子是中國古南方人群的基因組研究。中國南方溫暖潮濕的環(huán)境和當(dāng)?shù)氐乃嵝酝寥蓝疾焕诠臘NA的保存，使得這片區(qū)域的古DNA研究一度處于空白狀態(tài)。得益于該技術(shù)，廣西古南方人群的基因組研究揭示了在農(nóng)業(yè)傳播之前,東亞和東南亞人群已有大量交流。

沉積物DNA分析是一種新興的古DNA分析技術(shù)，可以不再依賴骨骼化石材料而從“土”中提取出古代生物的遺傳物質(zhì)。這種方法彌補(bǔ)了人類化石可遇而不可求的缺憾，極大地?cái)U(kuò)大了研究對(duì)象，打開了研究舊石器考古遺址人群演化的新窗口。2020年付巧妹團(tuán)隊(duì)和蘭州大學(xué)合作，通過白石崖溶洞遺址沉積物，釣取35個(gè)樣品的242種哺乳動(dòng)物和人類的線粒體DNA，并使遠(yuǎn)古人類的DNA得以富集。這些古DNA與遺址的骨骼遺存相印證，證實(shí)了犀牛、鬣狗等動(dòng)物的存在。還揭示白石崖洞的四個(gè)地層里有已滅絕的古人類——丹尼索瓦人的線粒體DNA。這是首次在丹尼索瓦洞穴之外的地方發(fā)現(xiàn)丹尼索瓦人，是支撐其曾分布廣泛的有力證據(jù)。利用這種方法，丹麥哥本哈根大學(xué)研究人員2022年12月報(bào)道了從格陵蘭島凍土中提取到約200萬年前的生物DNA，為迄今已知最古老DNA。該研究發(fā)現(xiàn)格陵蘭島曾生活著乳齒象、馴鹿、野兔和大雁等動(dòng)物，不僅有如今還在當(dāng)?shù)啬芤姷降奶μ\、灌木、樺樹等植物，還生長著白楊、杉樹等如今通常生長在緯度較低地區(qū)的樹木。

自2010年起，古脊椎所建立了國際一流水平的分子古生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室，以古DNA技術(shù)為核心，在主攻古人群基因組研究的同時(shí)，并行開展動(dòng)物古基因組、共生微生物及病原微生物演化、古蛋白質(zhì)研究等衍生研究方向。2016年首次翔實(shí)地繪制出冰河時(shí)代歐亞人群的遺傳譜圖；2017年對(duì)田園洞人個(gè)體進(jìn)行DNA測序，實(shí)現(xiàn)中國地區(qū)乃至整個(gè)東亞最古老人類的第一個(gè)全基因組測序；2018年從末次冰期前后迄今最古老的大熊貓化石成功提取到完整線粒體，揭示大熊貓新的線粒體譜系。2018年建立自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后，實(shí)驗(yàn)速度快、精確度高、產(chǎn)量高，產(chǎn)出了系列重磅成果，例如，揭示東亞早期現(xiàn)代人的遺傳多樣性及長時(shí)間尺度下動(dòng)態(tài)演化圖譜；闡明華夏族群萬年來的遺傳連續(xù)性及不同文化人群的遷徙融合歷史；闡述東亞特有適應(yīng)性基因的選擇機(jī)制；明確以臺(tái)灣島阿美族和泰雅族為代表的南島語族與福建內(nèi)陸古人群同源。這些研究更新、補(bǔ)充或修正國際學(xué)術(shù)界相關(guān)學(xué)術(shù)假說，為闡明華夏族群的形成過程及追溯南島語族源流等提供了重要科學(xué)依據(jù)。實(shí)驗(yàn)室也在珍稀保護(hù)動(dòng)物（如金絲猴、南方灰狼）演化研究上取得重大新發(fā)現(xiàn)，并推廣至更多已滅絕動(dòng)物及瀕危動(dòng)物研究領(lǐng)域。

蛋白質(zhì)包含有豐富的生物遺傳進(jìn)化信息，在化石中留存的時(shí)間要比DNA長得多，且可覆蓋古DNA目前所無法觸及的時(shí)間與地域盲區(qū)，在人類及其伴生物種的演化研究領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。例如，已有國際研究團(tuán)隊(duì)從180萬年前的動(dòng)物牙齒和超過650萬年前的蛋殼中獲取古蛋白質(zhì)。再比如，在炎熱潮濕地區(qū)，古DNA難以保存，但有研究團(tuán)隊(duì)在亞熱帶的早更新世甚至上新世化石中成功獲取古蛋白序列。這方面研究逐漸成為新興熱點(diǎn)，在2019-2020年，學(xué)術(shù)期刊連續(xù)發(fā)表的4篇重要成果，解決了夏河人、史蒂芬犀牛、步氏巨猿以及先驅(qū)人的系統(tǒng)發(fā)育問題，引發(fā)國際學(xué)界廣泛的關(guān)注。我國已經(jīng)加強(qiáng)這方面的布局，圍繞重點(diǎn)考古遺址的相關(guān)樣本開展研究，以期解決科學(xué)問題，助力產(chǎn)出重要原創(chuàng)性科研成果。

大數(shù)據(jù)及自動(dòng)識(shí)別：有助于實(shí)現(xiàn)化石的自動(dòng)鑒定

隨著研究的深入，古生物學(xué)從定性描述進(jìn)入定量的計(jì)算，引進(jìn)統(tǒng)計(jì)學(xué)模型。研究中越來越關(guān)注生物多樣性的變化、形態(tài)特征的宏演化。在古生物學(xué)中系統(tǒng)發(fā)育分析規(guī)模越來越大，涉及上百個(gè)物種，數(shù)千個(gè)性狀。這些研究都涉及大數(shù)據(jù)，需要高性能計(jì)算機(jī)的協(xié)助。

為了建立古生代（約5.4億年-2.4億年）海洋生物多樣性，南京大學(xué)樊雋軒團(tuán)隊(duì)遴選了3112個(gè)地層剖面、11268個(gè)海洋化石物種的26萬條化石數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)結(jié)合了模擬退火算法和遺傳算法，自主開發(fā)了基于并行計(jì)算的約束最優(yōu)化方法。利用“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)，經(jīng)過反復(fù)計(jì)算和驗(yàn)證，獲得了全新的寒武紀(jì)-三疊紀(jì)海洋無脊椎動(dòng)物的復(fù)合多樣性曲線。

近些年來貝葉斯方法在古生物學(xué)中廣泛運(yùn)用，但是這種方法對(duì)于計(jì)算性能要求高，即使使用目前的高性能計(jì)算機(jī)一次運(yùn)算也可能需要數(shù)周甚至上月的時(shí)間。不少古生物研究機(jī)構(gòu)專門購置了高性能計(jì)算機(jī)，運(yùn)行專門開發(fā)的分析軟件。比如，近些年古脊椎所發(fā)表的重要成果大多離不開高性能計(jì)算機(jī)的支撐。

近些年科研人員基于深度學(xué)習(xí)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，圖像識(shí)別等等進(jìn)行探索，以期實(shí)現(xiàn)化石的自動(dòng)鑒定。在古生物學(xué)中微體化石的鑒定費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且很多是重復(fù)勞動(dòng)，但是這一工作在油田鉆井、環(huán)境研究中卻必不可少。我們希望能夠?qū)崿F(xiàn)牙形刺、筆石、孢粉等由人工鑒定轉(zhuǎn)向自動(dòng)識(shí)別。這個(gè)領(lǐng)域剛剛興起，距離成果投入實(shí)際運(yùn)用還有很長的距離。這一工作有廣泛的應(yīng)用前景，建議有關(guān)部門以先期投入促進(jìn)科研的開展；也需要專業(yè)的古生物學(xué)家建立鑒定準(zhǔn)確的圖片庫以供機(jī)器學(xué)習(xí)，也需要人工智能等多學(xué)科交叉，以實(shí)現(xiàn)可靠的自動(dòng)鑒定。

作者：鄧濤（中國科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所所長、研究員）

《光明日?qǐng)?bào)》（ 2023年03月02日 16版）

來源：光明網(wǎng)-《光明日?qǐng)?bào)》