在探寻生命演化的漫漫长路上,毛方园领衔的科研成果连续两年入选“中国古生物学年度十大进展”
荒野归来
图为在位于北京的中国科学院古脊椎动物与古人类研究所,毛方园正在查看动物的头骨化石。本报记者 王伟伟 摄
新疆吐鲁番盆地生物地层。 受访者供图
5月初,首届南京矿物宝石化石博览会开展,10余件曾在地球生命进化史上具有重要意义的国宝级化石标本亮相。李氏源掠兽化石标本是其中之一。
3年多前,2019年12月6日,《科学》(Science)在线发表了关于李氏源掠兽的研究成果。在“中国古生物学2020年度十大进展”中,该项研究位列首位。
中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员毛方园正是这一研究的负责人。她的另一项研究成果也入选“中国古生物学2021年度十大进展”。
今年4月,这位致力于早期哺乳动物研究的80后科技工作者,荣膺第十八届“中国青年女科学家奖”。
探寻奇妙的生命演化,毛方园徜徉在一条未知、神秘的漫漫长路上。
“一次定终身”
本科学的是地质学,硕士在中国科学院南京地质与古生物研究所攻读孢粉学专业,为何会在博士时选择进入古脊椎动物研究领域?
毛方园笑称,“一次定终身。”
2008年,硕士研究生二年级的暑期,毛方园参加了在内蒙古二连盆地的地质考察。那里沉积了东亚地区比较完整的古近纪陆相地层,有丰富的哺乳动物化石,是研究古近纪哺乳动物演化、古生态和古气候变化的理想区域。
这位在南方出生、长大的姑娘,第一次见到了荒漠戈壁,遇到了一堵墙般袭来的沙尘暴,赶上过大雨雷暴等极端天气,也邂逅了海市蜃楼。在那片半无人区,条件十分艰苦。
毛方园的任务是孢粉采样。这是古生物地层学研究的常用方法,依据孢粉样品来分析古环境的植物组成和气候变化、判定地层沉积时间。
100多米的剖面,间隔1.5米进行取样,一个点位,采一袋孢粉样,整个剖面下来,样品装了满满一包,沉甸甸的。遇到她翻不过去的土坡,老师们就一镐一镐帮着开道。身处荒漠时的“过命交情”,让她“想要跟着这个团队继续学习和研究”。
持续半个月左右的地质实习后,毛方园毫不犹豫地决定考博,专业转向古脊椎动物。“我想去野外探索未知的不确定性的事物。”对不愿循规蹈矩的她而言,找到了“释放天性”之处。
这次实习的带队老师、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员王元青,后来成了毛方园的博士生导师。
2013年博士毕业后,毛方园进入中国科学院古脊椎动物与古人类研究所,在摸索中确定了早期哺乳动物这一研究方向。
来自上亿年前的“不可思议”
“发现了达尔文时代提出的哺乳动物中耳渐进演化的关键证据链”,这是毛方园获评第十八届“中国青年女科学家奖”时的一句介绍。
哺乳动物中耳渐进演化,一直被认为是哺乳动物古生物学的“圣杯”。
“古生物学家认为,哺乳动物中耳内的3块听小骨是从爬行动物的下颌关节骨演化而来的。”毛方园说,从上百年前的达尔文时代开始,哺乳动物咀嚼器官和听觉器官的分离过程就一直是一个假说,缺少从化石当中得到的直接关键证据。
毛方园、王元青与美国自然历史博物馆的孟津等学者合作的研究成果,正是从李氏源掠兽化石中找到了关键证据链。
“李氏源掠兽的多件标本首次展示了一个关键特征,即听骨与麦氏软骨之间无骨质链接,这意味着听觉与咀嚼器官完全分离,代表了哺乳动物演化中听觉与咀嚼模块分离的关键节点。”毛方园说,这一发现弥合了过渡型中耳和典型哺乳动物中耳在演化过程中表型特征的空缺。
李氏源掠兽化石采自辽宁热河生物群早白垩世,距今约1.24亿年,被保存在辽宁朝阳济赞堂古生物化石博物馆。
“我们对这些化石标本做了一个初步的CT扫描,就已经看到它中耳的大致形态了。”那一刻,毛方园激动不已。
但是,即使确定就是中耳骨块,是否就能成为关键证据链呢?冷静过后,是漫长且枯燥的研究——利用显微断层扫描仪高精度扫描,然后进行三维立体重建复原包括中耳在内的整个骨架。
2018年10月,毛方园成为美国自然历史博物馆博士后。那年圣诞假期,她把自己关在公寓里,每晚复原到后半夜两三点,然后早上八九点起来接着复原,每天有十几个钟头都在电脑前。
“重建三维立体形态,相当于你在每个面上画的一笔,都会生长出具体的立体形态。1.2亿年前的生物已经演化出如此精妙的结构,多么不可思议。”那些枯坐“冷板凳”的时光里,遥望上亿年前的时间长河中的生物,毛方园觉得震撼,“多么神秘啊,这是语言无法精准表述的。”
严肃科学的魔力
以百万年、上亿年为时间尺度的古生物研究,到底有着什么样的魔力?
“经历漫长岁月的生命演化,像一部生命史的连续剧呈现在我们面前,这还不够有意思吗?”毛方园也在追问,从一个单核生命演变成人,这个过程中经历了什么才最终成功?
在地球46亿年的历史中,很多生物历经起源、发展、繁盛、消亡的过程。人类在追寻自身演化、发展奥秘的同时,也一直在探究与人类同行的其他类群的演化历史。
追问和探究,需要新的技术支撑。
采访中,毛方园多次强调更高精度的CT设备对于研究有着重要促进作用。热河生物群的大多数化石为压扁的板状,普通CT设备很难对其进行精确扫描和重建。为此,中科院联合研发了首台高分辨板状化石专用X射线显微层析成像设备Micro-CL,极大满足了古生物学界的研究需求。
古动物博物馆和中国科学院古脊椎动物与古人类研究所同在一幢楼里,开放日有不少家长带着孩子前来参观。
科普与科研,是热闹与冷清。
“大众看来,古生物学好玩、有意思,但也要意识到这是一项严肃科学。”毛方园希望,“真正决心投入这个学科的人,能坚持把科学系统训练的枯燥过程,严肃、严谨地走完。”
10多年间,毛方园成为国家基金委优秀青年项目获得者,先后发表学术论文近40篇,其中3篇发表在国际顶级学术期刊《自然》(Nature)和《科学》(Science)上。成绩之外,她是冷静的,“我们需要找到新的研究模式、方法技术,去提高、去突破。”
每年,毛方园会有3~4个月时间走出书斋,到未知、神秘的荒野中,寻找、挖掘化石。从荒野归来,她重新回到实验室,拼接、修复化石,在显微镜下观察化石,在设备上测量、复原化石……
埋藏在厚重地层中的化石沉默不言,等待着她去讲述远古生物演化的神秘故事。