追溯遠古世界 探索生命演化
——記北京大學地球與空間科學學院史前生命與環境研究所

本刊記者 楊 嬌

追溯遠古世界 探索生命演化
——記北京大學地球與空間科學學院史前生命與環境研究所

本刊記者 楊 嬌

古生物學是地球科學與生命科學的交叉學科，主要研究地質歷史時期生物的起源、進化和生物多樣性的演變、地球的環境變化、以及生物與環境的關系。古生物學研究可使人們認識地質歷史中的生物多樣性、更深入地了解自然歷史，可使人類充分認識生物與環境的相互依存關系，可為未來全球氣候和環境變化提供預測的基礎，可為石油、天然氣、煤炭等礦產資源的勘探、開發提供強有力的支持。

北京大學是近代中國較早開展古生物學教學和科研工作的機構之一。1909年，京師大學堂設立地質學門，之后改名為北京大學地質學門。上世紀20年代以來，著名古生物學家李四光、葛利普等在此任教，培養了大批人才，他們中有20余位成為中國科學院院士，為我國古生物學事業的早期發展做出了重大貢獻。20世紀50年代，北京大學設立地層古生物學專業。2002年，在原古生物學與地層學專業的基礎上，組建而成立史前生命與環境研究所（下文簡稱“研究所”）。目前，該研究所共有教員12人，其中中科院院士1名（兼職）、教授7名（包括長江特聘教授1名）、“青年千人計劃”研究員1名、副教授3名。學術隊伍梯隊合理，研究方向多樣，涵蓋地球生物學、演化古生物學、地層學、沉積學和古環境研究等多個領域。

得益于近百年的學術積淀、以及中國得天獨厚的地域優勢和豐富的化石資源，研究所在以下三個領域取得了一系列具有國際影響的成果：（1）古生代無脊椎動物群、地層學及古環境研究；（2）志留—泥盆紀維管植物登陸及其演化分異研究；（3）中生代海生脊椎動物群和兩棲類、爬行類的研究。新組建的前寒武紀地球生物學研究團隊，也已形成一定的學術影響力。近5年來，主導或合作發表大量科研成果，其中包括3篇Nature、2篇Science、1篇Nature Communications及3篇PNAS論文。

古生代無脊椎動物群、地層學和古環境是研究所的重點研究領域。近10余年來，該所在中國寒武紀—石炭紀地層中系統采集數萬枚動物化石標本，對其形態、結構、系統分類的研究，增進了人們對華南、華北、新疆等地區古生代海生無脊椎動物多樣性的認識；在中國寒武紀地層發現化石胚胎Markuelia，發現一系列寒武紀“奧斯坦型”磷酸鹽化保存的三維軟軀體節肢動物；詳細研究了寒武—奧陶紀微生物礁和最早的苔蘚動物礁；發現華南早奧陶世軟軀體埋藏的淺水型群落——分鄉動物群；系統描述、厘定及新建立泥盆—石炭紀腕足、牙形類、介形類、珊瑚、菊石等多門類海洋動物數百種，并以此為依據，建立或厘定華南和北疆關鍵地區的中泥盆世—早石炭世生物組合帶；依據對海生無脊椎動物化石的深入研究，對中國若干關鍵地區的區域地層（特別是泥盆系-下石炭統）進行精細劃分和對比，系統研究了泥盆紀晚期的弗拉—法門之交的絕滅事件（顯生宙五次大絕滅之一）、泥盆—石炭紀之交的生物事件，提出弗拉—法門之交生物的階梯式絕滅模式，揭示了華南泥盆—石炭紀之交的底棲動物演替規律。近10余年來，該研究所在這一領域的研究成果在Nature、Palaeontology、Palaeogeography-Palaeoclimatology-Palaeoecology等國際重要期刊發表SCI論文160余篇。

維管植物登陸及其早期演化的研究，是研究所的一大特色方向。新發現或重新研究早期陸生維管植物的代表分子50余屬，使得華南成為研究“植物登陸”的關鍵地區之一。一系列保存精美的新植物的發現，修正了維管植物演化模式的傳統認識。基于華南證據，該所提出植物根系、葉器官在早泥盆世的多次起源，提出早泥盆世維管植物大爆發假說；發現東亞地區多樣化的早期種子植物；發現最古老的具根系土壤，揭示了早期維管植物的成土作用（Xue et al., 2016, PNAS封面文章）。

PNAS封面圖片：4.1億年前的原始土壤及植物根狀莖化石

研究所以江大勇教授等為主導，組建了國際團隊，對中生代海生爬行動物的起源和多樣性演變、古環境背景等開展了近20年的長期研究，取得了一系列研究成果。2010年Science雜志以“Excavation Yields Tantalizing Hints of Earliest Marine Reptiles （科學發掘揭示最早的海生爬行動物）”為題對該團隊在安徽巢湖的科學考察進行焦點報道。2014年，該團隊發表Nature文章，報道了最原始的魚龍形動物——柔腕短吻龍，填補了陸地祖先與完全適應海洋生活的魚龍之間的演化環節，提出魚龍類很可能起源于中國的科學假說。后續，該團隊又提出魚龍形動物在早三疊世晚期演化速度非常快，且在其起源后的最初一百萬年（斯帕斯亞期）里生物多樣性快速發展，并快速占據不同的生境。

研究所的長江特聘教授高克勤長期致力于中生代陸地脊椎動物的研究，多次主持和參加冀北-遼西、山東山旺、甘肅北山以及外蒙戈壁等地區的科學考察和化石發掘，采集并系統研究了大量脊椎動物化石，在侏羅紀-白堊紀離龍類生態、形態分異及系統演化以及蠑螈類起源、分支系統演化及生物古地理分析等方面做出了突出貢獻。2012年，研究命名了一種蠑螈類——建平北燕螈（Gao and Shubin, 2012, PNAS），代表蠑螈亞目最早的化石記錄，為研究確定蠑螈亞目的起源時間提供了重要的化石證據。高克勤教授還參加了恐龍羽毛顏色的聯合攻關研究，復原了赫氏近鳥龍、小盜龍的羽毛顏色（Li et al.,2010,2012,Science），發現帶羽毛恐龍的關鍵生理轉變（Li et al.,2014, Nature）。

最原始的魚龍形動物——柔腕短吻龍

蠑螈亞目最早的化石記錄——建平北燕螈

2012年，該研究所引進“青年千人計劃”沈冰博士，組建了前寒武紀地球生物學研究團隊。2016年，沈冰課題組通過對新元古代臼齒碳酸鹽巖的鎂、硫同位素分析，提出了新元古代海底甲烷大量釋放這一新的假說，這為探索地球早期氣候變遷提供了新的思路（Shen et al., 2016, Nature Communications）。同年，該課題組利用鎂同位素揭示了新元古代全球冰期結束過程中強烈的化學風化作用，直接驗證了雪球地球理論，但該項研究成果也對雪球地球理論進行了修正（Huang et al., 2016, PNAS）。

秉承傳統、開拓創新。在未來的5至10年，該研究所擬在上述領域繼續保持傳統優勢，發表更多高水平研究論文，鼓勵并推動古生物學的綜合性、理論性研究以及學術專著和高水平教材的出版，擬擴大國際合作與交流，增加對國際學術活動的領導權。通過努力奮斗，研究所以期建立具有國際引領作用的學術力量，立足于中國的區域性、案例性研究優勢，培育原始創新，推動理論創新，在更為普遍的進化生物學與環境演化問題上，在國際學術圈形成北大獨特的影響力。

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