科研进展----中国科学院南京地质古生物研究所

大数据定量揭示地球复杂生命早期演化的奥秘
复杂生物的出现是生命演化史上极为重要的革新事件，意味着地球生物圈从以微生物为主的世界转入以动、植物大规模发育为特征的宏体复杂生命世界。距今25-5.39亿年的元古宙见证了单细胞真核生物起源、简单多细胞化以及复杂多细胞生物初步辐射的演化历程。然而长期以来，我们对上述演化历程的理解缺乏大数据层面的定量阐述。12月20日，中国科学院南京地质古生物研究所早期生命研究团队与南京大学、美国弗吉尼亚理工大学、香港大学等10家单位合作，共计20位作者在《科学》（Science）杂志上以研究长文形式发表关于元古宙复杂生物早期演化的重要研究成果。该研究历时六年，创建了全球数据最全的早期地球古生物地层数据库，结合了超算和人工智能等大数据分析手段，首次绘制了地球距今20亿至5亿年前元古宙至寒武纪早期的真核生物多样性演化曲线。揭示了复杂生命经历了元古宙中期漫长的早期演化历程，并在新元古代发生了多次大辐射和大灭绝事件。研究填补了关于地球早期真核生物多样性宏演化的空白。论文的第一作者为南京大学研究员唐卿，通讯作者为研究员唐卿，南京古生物所研究员庞科，中国科学院院士、南京大学教授沈树忠和美国国家科学院院士、弗吉尼亚理工大学教授肖书海。自上世纪80年代至今，中国科学家在“复杂生物起源和早期演化”方向取得了一系列的突破性进展，在国际相关学术界获得了良好的声誉，并取得了重要的学术地位。这些成绩一方面得益于中国古生物学家的勤奋工作与刻苦钻研，对科学目标的长期执着追求；另一方面更是数代研究者开拓创新、积极进取地发现一个又一个早期生命化石宝库的结果。南京古生物所早期生命研究团队在研究员袁训来的带领下，与国内外多家科研单位合作，深入研究了埃迪卡拉纪蓝田生物群、瓮安生物群、石板滩生物群和拉伸纪淮南生物群、石旺庄生物群、辽南生物群等多个早期生命的化石宝库。长期以来，团队负责人袁训来尤其注重对年轻学者的培养，鼓励他们勇于创新，探索未知领域，近10年来先后有5名团队培养的年轻学者分别以第一作者或通讯作者身份在《自然》（Nature）和《科学》（Science）杂志上发表研究论文。本次亦是南京古生物所早期生命研究团队继2024年6月在《自然》（Nature）杂志上发表研究论文之后，年度内合作发表的第二篇国际顶级杂志论文。化石是记录生命演化的最直接证据。但在5亿年以前漫长的早期地球阶段，发育细胞核的真核生物是什么时候开始出现并留下它的第一个化石记录的？作为所有现代高等生命的祖先，早期复杂生物如何一路逢凶化吉并最终进化出如今的五彩缤纷的地球生物圈？这些关系到我们从哪里来，要到哪里去的重大科学问题，由于研究方法的限制长期得不到准确的解答。针对以上难解之谜，在长期对早期生命化石及其产出地层开展研究的基础上，联合研究团队历时六年，创建了目前全球数据最全、信息量最大的早期地球古生物地层数据库，创新性地结合了超算和人工智能等大数据分析手段，首次绘制了地球距今20亿至5亿年前元古宙至寒武纪早期的真核生物多样性曲线。数据库覆盖了单细胞真核生物化石、多细胞或多核体藻类化石、动物实体化石与遗迹化石等类型，收录了共计2731种化石的12820条首现记录与末现记录以及相关地层的数据。研究定量展示了跨度长达15亿年的高精度复杂生命早期演化历史，揭示了地球上的复杂生命是如何经历了元古宙中期漫长的早期演化历程以及新元古代的多次大辐射和大灭绝事件之后，最终为“寒武纪大爆发”期间现代类型的复杂生态系统的建立铺平道路。该研究填补了关于早期地球真核生物多样性宏演化的空白，为阐明地球复杂生命起源和早期演化规律、探索地外生命是否存在以及宜居地球的可持续发展提供重要的理论基础和借鉴。研究结果表明，随着第一个可信的真核生物化石在距今约17亿年前出现之后，真核生物的多样性一直保持较低但稳定增长的模式。直到约7.2亿年前全球性“雪球地球”大冰期的出现，打断了真核生命演化的既定进程。随着“雪球地球”事件的结束，真核生物的物种多样性开始迅速增加并且频繁发生波动，在埃迪卡拉纪发生多次生物大辐射和大灭绝事件。其中包括约6.35亿到5.8亿年前的生物大辐射事件，以及紧随其后发生的真核生物演化史上的第一次大灭绝事件，导致当时的优势类型——表面具有复杂刺状装饰的微型真核生物的大量灭绝。在此之后，以动物为代表的形态更为复杂的宏体生物迎来了快速辐射。但这些体型较大的复杂生物在埃迪卡拉纪末期（距今约5.51-5.39亿年前）又遭遇了两次明显的多样性下降，代表了动物演化史上最早的两次大灭绝事件，早于众所周知的显生宙的五次大灭绝事件。本研究首次用大数据的方法揭示了早期地球15亿年的生命演化历程，定量化地勾画了复杂生命的起源、辐射、灭绝、再次辐射至现代复杂生态系统形成的早期演化过程。以上数据表明“雪球地球”大冰期、噶斯奇厄斯（Gaskiers）冰期等极端气候事件的发生会严重阻碍地球早期生物圈的演化进程，导致生物大灭绝事件的出现。而随着大冰期事件的结束，地表温度回暖以及大气氧含量升高等促成了新一轮复杂生物大辐射事件，进一步证实了生命从简单到复杂的演化并不是简单线性的历程，而是呈长期滞缓与相对快速辐射交替发展的模式。该项研究也凸显了地表温度与氧气含量等环境因素的骤变对早期地球复杂生命演化的巨大影响，这对科学家探索极端环境下的地外生命和评估未来地球的宜居性演化提供了重要参考。本篇《科学》（Science）论文在评审过程中，多位审稿人评价道：“该研究终于带来了长期缺失的早期地球高精度生物多样性演化曲线”、“该曲线揭示的真核生物大辐射和大灭绝事件将激发一大波探索早期地球生命与环境协同演化的热潮”。此项研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委以及国际大科学计划—“深时数字地球”（DDE）等项目的支持。论文链接：Tang, Q.*, Zheng, W., Zhang, S., Fan, J., Riedman, L.A., Hou, X., Muscente, A.D., Bykova, N., Sadler, P.M., Wang, X., Zhang, F., Yuan, X., Zhou, C., Wan, B., Pang, K.*, Ouyang, Q., McKenzie, N.R., Zhao, G., Shen, S.*, Xiao, S.* 2024. Quantifying the global biodiversity of Proterozoic eukaryotes. Science, 386: eadm9137.www.science.org/doi/10.1126/science.adm9137图1 早期地球高精度真核生物多样性曲线图2 元古宙-寒武纪早期地球-生命系统的演化过程

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2024-12
宽川铺生物群蜕皮动物胚胎化石研究取得新进展
科研人员对早期动物胚胎发育过程和发育模式的探究，离不开它们的蛋和胚胎的化石化保存。与羊膜动物的蛋和胚胎（如恐龙蛋）相比，海生无脊椎动物的蛋和胚胎保存成化石的概率非常低。然而，寒武纪早期到奥陶纪早期的磷酸盐化石库中，却保存了丰富多样的海生无脊椎动物的胚胎化石。这些胚胎化石可分为两大类，蜕皮动物胚胎（仅Markuelia）和刺胞动物胚胎（Olivooides，Pseudooides，和Quadrapyrgites，等等）。Markuelia发现于西伯利亚（寒武纪第二期）、蒙古（寒武纪第三期）、中国（寒武纪乌溜期到排碧期）、澳大利亚（寒武纪中期）和北美（奥陶纪特马豆克期），而刺胞动物胚胎则主要发现于中国的宽川铺生物群（寒武纪幸运期早期）。宽川铺生物群中，已发现了大量丰富的刺胞动物胚胎和胚后阶段的化石，并报道了已知最早的蜕皮动物实体化石，但迄今为止尚未有蜕皮动物胚胎化石的报道。近日，中国科学院南京地质古生物研究所特别研究助理咸晓峰和长安大学博士研究生刘明金，在南京古生物所研究员张华侨和瑞典隆德大学教授Mats E. Eriksson的共同指导下，报道了宽川铺生物群中新发现的蜕皮动物胚胎化石，命名为囊虫（Saccus），并对其可能的发育模式和演化意义做了进一步的讨论。相关成果已在线发表在国际地学领域专业期刊《古地理，古气候，古生态》（Palaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology）上。咸晓峰和刘明金担任共同第一作者，张华侨和长安大学刘云焕教授担任共同通讯作者。本次研究共展示7枚标本，均产自陕西省汉中市西乡县张家沟剖面寒武系幸运阶宽川铺组第二段，寒武系第一个小壳化石带内，年龄约5.35亿年。胚胎具有囊形的躯体，因此被命名为囊虫。囊虫的直径介于730 μm到1 mm之间，被一层薄的，光滑的卵壳包裹，未见纤毛的痕迹和可能的开口，前端为辐射排列的骨板，后端为两侧对称排列的骨板（图1，2）。高分辨率显微CT分析显示标本内部为中空，未保存任何内部生物结构。研究表明，囊虫标本包括两个不同的种，西乡囊虫（Saccus xixiangensis gen. et sp. nov. ，图1）和意外囊虫（ Saccus necopinus gen. et sp. nov.，图2）。这两个种的大小相差不大，主要区别是骨板的数量的排列方式。研究认为，囊虫代表尚未发育出口和肛门的胚胎发育阶段，可能即将孵化。囊虫的胚后阶段化石并未发现，所以其发育模式不确定。但是其较大的直径表明卵黄含量较高，可以为胚胎和胚后发育提供足够的营养。据推测，若其发育模式为间接发育，则孵化为卵黄营养型幼虫，成虫形态未知。若其发育模式为直接发育，则孵化为与成体形态接近的卵黄营养型幼体，成虫同样可能为囊状，无翻吻和附肢。无论哪种情况，囊虫都主要依靠卵黄为营养来源，直到发育出口并开始摄食。进一步的分析认为，在直接发育的情况下，囊虫成虫形态与皱囊虫（Saccorhytus）极为相似，它们同样具有囊形的躯体，且都不具有翻吻和附肢，因而它们可能有着较近的亲缘关系，应属于蜕皮动物全群（图3A）或干群（图3B）。据此，囊状体型应属于蜕皮动物的祖征，而蠕状体型则是冠群类蜕皮动物的裔征。本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和瑞典研究理事会的联合资助。论文相关信息：Liu,M.#,Xian,X.#,Zhang,H.*,Eriksson,M. E.,Liu,Y.*,Shao,T.,2025. New ecdysozoan fossil embryos from the basal Cambrian of China. Palaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology,659: 112635. https: //doi.org/10.1016/j.palaeo.2024.112635图1 西乡囊虫（Saccus xixiangensis gen. et sp. nov.）正模标本图2 意外囊虫（Saccus necopinus gen. et sp. nov.）正模标本图3 直接发育情况下囊虫可能的系统位置

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2024-12
元分析揭示地球历史上最大碳同位素负异常事件的演变模式和对其成因机制的约束
中国华南埃迪卡拉系陡山沱组上段碳酸盐岩碳同位素组成（δ13C）从~+5‰下降到≤-12‰，记录了地质历史时期以来最大的一次海水δ13C负异常事件，即陡山沱组碳同位素负异常事件（DOUNCE，图1）。DOUNCE事件的沉积记录在全球各大陆被广泛报道，也被称为Shuram或Wonoka事件。学界广泛认为DOUNCE事件很可能代表了一次全球性的海洋氧化事件，与大型复杂生命在地球上快速崛起密切相关（图1），且被广泛用于埃迪卡拉系全球化学地层对比。然而，DOUNCE在不同地区和不同沉积环境下的地质记录表现出明显差异，使得DOUNCE的全球性受到挑战，进而影响了其用于全球化学地层对比的可靠性和成因机制的解释。为了探究DOUNCE事件在全球不同地区、不同沉积环境下的地层表达，中国科学院南京地质古生物研究所研究员朱茂炎团队的博士后张莹刚，系统收集了全球已发表的、与DOUNCE事件相关的碳酸盐岩同位素数据，从而构建了全球碳酸盐岩碳同位素数据库（DOUNCEraq）用于元分析/综合分析，进而从全球尺度上探讨了DOUNCE事件的演变模式、成因机制和地层对比。该项研究成果最近在国际学术期刊《地球科学评论》（Earth-Science Reviews）上发表。该数据库现收集了全球156个剖面或钻孔的碳酸盐岩碳同位素数据（图2），有效碳同位素数据共计9375条。基于DOUNCEraq的统计分析，确认了DOUNCE事件的全球性，并首次发现DOUNCE事件的δ13C值在剧烈下降之后普遍存在即时小幅度的回升，表明了DOUNCE事件期间存在碳循环的小幅度变化，可能与碳循环的内在负反馈机制或驱动力强度变化有关。此外，DOUNCEraq的统计学综合分析表明，古纬度、古大陆、古水深和岩性的差异一定程度上影响了δ13C记录，主要表现为以下几个特征：（1）北半球低纬地区DOUNCE事件前的δ13C值和异常幅度较南半球偏小；（2）深水剖面在事件前的δ13C值较低，事件期间的δ13C最低值也更低，但总的来说δ13C的偏移幅度相比浅水剖面更小；（3）白云岩剖面在事件前δ13C值较低，但事件期间的δ13C最低值较高，从而其相比灰岩剖面具有明显较小的异常幅度（图3）。古纬度、古大陆、古水深和岩性对DOUNCE记录的影响为探讨其成因机制提供了重要约束。上述分析得出的不同影响特征，可以通过“海洋溶解有机碳氧化假说”得以很好地解释。不同地区和沉积环境下海水碳同位素的响应很可能与海水氧化剂供应的时空演变（硫酸盐和氧气）相关，支持了朱茂炎与英国合作者们2019年在《自然-地球科学》（Nature Geoscience）提出的DOUNCE事件是一次全球海洋氧化事件的模型，即大量硫酸盐的风化输入导致海洋溶解有机碳库的氧化，从而致使海水的δ13C值产生负异常。尽管研究结果仍需更精细的沉积学、地球化学、矿物学和地球系统模型工作的进一步验证和完善，但该研究强调了建立全球数据库和综合统计分析在研究全球海水碳同位素异常事件中的重要性。此项研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委（NSFC）、中国博士后科学基金会和江苏省卓越博士后计划的资助。论文信息：Zhang, Y. & Zhu, M., 2024. Meta-analysis of the DOUNCE event (Shuram/Wonoka excursion): Pattern, variation, causal mechanism, and global correlation. Earth-Science Reviews, 105000. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2024.105000图1. 埃迪卡拉纪生物化石、重要生物演化事件和碳酸盐岩碳同位素的演变曲线图2. DOUNCE事件碳酸盐岩记录的全球古地理分布图3. DOUNCE偏移幅度对古纬度、古大陆、古水深和岩性的响应

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2024-12
3D-XRM和FIB-SEM联用技术揭示瓮安胚胎状化石细胞核结构和成分特征

化石成像和原位成分分析技术是古生物学研究的必不可少的工具。近年来，古生物学前沿研究对相关技术提出了更高的要求，比如需要联用多种技术手段同时获取不同类型化石标本的三维结构和原位化学成分的信息。这些信息对于确定化石在系统树中的位置以及阐明其在演化生物学意义至关重要。近期，中国科学院南京地质古生物研究员殷宗军带领实验技术中心工程师陈倩、实验员吴素萍和博士后孙玮辰开发了一种三维X射线显微镜（3D-XRM）和聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）联用技术，重建了埃迪卡拉纪瓮安生物群胚胎状化石的三维结构和原位成分特征。相关研究发表在地学领域专业期刊《地球科学学刊》（Journal of Earth Science）上。该多技术联用方案首先采用高精度X射线显微断层成像技术三维重建胚胎状化石的整体结构，在微米分辨率尺度上找到单个细胞结构内保存质量较好的细胞核后，定位细胞核，再采用超高分辨率X射线显微断层成像技术，在亚微米分辨率层级局部重构细胞核的三维结构，找到研究感兴趣区（ROI）并标记其在标本中的三维坐标位置。在此基础上，使用光固化树脂包埋化石样本，采用显微定向定量切磨系统，通过三维X射线显微镜数据提供的ROI位置信息，导航精准显微切割以暴露ROI。然后，对暴露的ROI进行聚焦离子束扫描电子显微镜三维成像观察和EDS元素检测，获得的感兴趣区域的纳米分辨率的三维结构和元素数据。最后，将该微区的三维结构和元素三维空间展布信息与三维X射线显微镜提供的大视野图像无缝对接，从而，能够在纳米分辨率层级上全面了解细胞核结构和矿物组成信息。该研究重构了细胞核内的分层结构物理和化学信息，为理解细胞核的磷酸盐化过程与机制提供了新的视角。同时，该研究展示了联合使用三维X射线显微镜和聚焦离子束扫描电子显微镜技术在三维微纳结构成像与原位成分探测方面的强大能力，它帮助研究人员实现了化石结构和原位成分的多维度、跨尺度分析。这项研究中开发的多种技术结合使用的方法不仅有望在古生物学领域得到更广泛的应用，而且在岩石学、沉积学、油气资源勘探和天体生物学等多个领域都具有广泛的应用前景。相关技术已申请并获批发明专利一项（专利号ZL 2024 1 0162769.7）。本研究得到了中国国家自然科学基金优青青年基金（编号42022010）、中国国家重点研发计划（编号2022YFF0800100）、中国科学院创新交叉团队项目（编号JCTD-2020-18）和中国科学院青年创新促进会优秀会员项目的支持。论文相关信息：Qian Chen, Weichen Sun, Suping Wu, and Zongjun Yin*. 2024. Structural and Chemical Characterization of the Ediacaran Embryo-Like Fossils via the Combination of 3D-XRM and FIB-SEM Approaches. Journal of Earth Science, Vol. 35, No. 4, p. 1204-1214, August 2024，https://doi.org/10.1007/s12583-024-0008-13D-XRM和FIB-SEM联用技术方法的工作流程图埃迪卡拉纪瓮安生物群胚胎状化石细胞核的三维结构和元素组成

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2024-12
模拟实验揭示铁硫化物在早期地球陆地热泉生命起源中的潜在作用
深海热液生命起源假说和陆地热泉生命起源假说是探索地球上生命起源环境的两大主要理论。陆地热泉生命起源假说指出，生命可能诞生于地表热泉区域这一开放性环境。与深海环境不同，陆地热泉能够接触到阳光，为光热催化反应提供了动力来源。此外，陆地热泉富含铁、硫、二氧化硅等矿物质和化学物质，这些成分与间歇性的干湿循环相结合，可能为有机分子的合成和聚合创造了理想条件。尤其是干湿循环过程，不仅有助于有机分子的浓缩，还能促进更复杂分子的形成，为生命的起源提供了重要的化学基础。近日，中国科学院南京地质古生物研究所南景博副研究员，与日本国立材料科学研究所（NIMS）罗舜钦博士，澳大利亚新南威尔士大学Quoc Phuong Tran博士等多家单位的学者合作，发现铁硫化物在早期地球陆地热泉中通过非酶催化作用对气态二氧化碳（CO₂）还原和前生命有机分子形成的潜在作用，这一过程或为生命起源提供了关键的化学基础。该研究为理解地球早期生命起源提供了新方向，并指出了铁硫化物在陆地热泉生命起源假说中的重要性。成果发表在最新一期的《自然・通讯》（Nature Communications）杂志。地球早期热液系统中富含铁硫化物，这些铁硫化物可能类似于现代代谢系统中的酶辅因子，参与了生命前的化学反应。前人对于铁硫化物参与生命起源的研究多集中于海底的碱性热液喷口，认为其温度、压力、pH差和蛇纹石化产生的高氢气（H₂）浓度可能为前生命碳固定提供了良好条件。然而，另一些科学家认为，陆地热泉由于同样具备丰富的矿物、化学物质以及阳光辐射（图1），可能提供了一种新的生命起源可能性。为探究铁硫化物在陆地热泉前生命碳固定的作用，研究团队在实验中合成了一系列铁硫化物（四方硫铁矿）纳米颗粒（图2），包括纯铁硫化物和掺杂了锰、镍、钛和钴等金属的铁硫化物样品，这些金属元素在热泉环境中较为常见。通过实验，他们发现这些铁硫化物在特定温度（80–120°C）和常压下可催化H₂驱动的CO₂还原反应，并用气相色谱仪对生成的产物甲醇进行了定量测定（图3）。研究显示，掺锰的铁硫化物在120°C的反应条件下表现出显著的催化效果。特别地，在紫外-可见光（300–720 nm）和增强紫外光（200–600 nm）照射下，掺锰的铁硫化物催化活性进一步增强。这一结果揭示光能可能在这一反应中发挥了激发作用，促进了化学反应的进行。研究团队还发现，水蒸气的引入可进一步提升反应活性，这指示陆地热泉蒸汽喷口可能是早期地球非酶有机合成的关键场所。为了深入探究铁硫化物在催化H₂驱动的CO₂还原反应机理，研究团队进行了原位漫反射傅里叶变换红外光谱（DRIFTS）分析，发现这一反应可能通过逆水煤气变换反应（RWGS）途径进行，即先将CO₂还原生成一氧化碳（CO），然后进一步氢化生成甲醇。在此基础上的密度泛函理论（DFT）计算显示，锰在铁硫化物中的掺杂不仅降低了反应的活化能，还可能提供了一个高效的电子传递位点，增强了反应的效率（图4）。此外，铁硫化物的氧化还原特性使其具备与现代代谢酶类似的催化功能，为前生命碳固定提供了化学基础。该研究揭示了早期地球陆地热泉中的铁硫化物在前生命碳固定中的潜力，为探索生命起源提供了新方向，进而为未来寻找地外生命提供依据。该研究得到了国家自然科学基金、现代古生物学和地层学国家重点实验室开放基金、核资源与环境国家重点实验室基金、澳大利亚研究理事会探索项目以及未来学者奖、日本文部科学省（MEXT）材料纳米架构世界顶级研究中心及北海道大学光激子工程项目的支持。论文信息：Nan,J.,Luo,S.,Tran,Q.P. et al. Iron sulfide-catalyzed gaseous CO2 reduction and prebiotic carbon fixation in terrestrial hot springs. Nat Commun 15,10280 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-54062-y图1 早期地球陆地热泉概念图(Alex Bosoy 绘制)图2 扫描透射电子显微镜显示铁硫化物（四方硫铁矿）催化剂特征图3模拟陆地热泉不同条件下金属掺杂铁硫化物催化H₂还原CO₂的反应图4密度泛函理论（DFT）计算CO₂在纯铁硫化物和掺锰铁硫化物表面上的加氢反应

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2024-11
燕山地区中元古代高于庄化石群的年代学研究获得新进展
近年来，中国科学院南京地质古生物研究所朱茂炎研究员及其领导的“地球-生命系统早期演化”研究团队报道和研究了燕山地区中元古代高于庄化石群。该化石群包含至少4种类型的宏体多细胞真核生物，最大个体高度达30厘米以上，是窥探地球复杂生物早期演化的宝贵窗口。为深入开展高于庄化石群的研究，该研究团队博士陈凯在含有该化石群的地层层位附近发现一层火山凝灰岩，并对其中的锆石进行了精确的二次离子质谱铀铅（SIMS U-Pb）定年分析，获得1588.8±6.5 Ma的新年龄数据，为高于庄化石群提供了直接且精确的年龄约束，相关成果最近在国际学术期刊《地质杂志》（Geological Magazine）上发表。此前，学界对高于庄化石群的年龄估计依赖于远离化石发现地点的北京延庆和天津蓟州地区高于庄组所获得的年代学数据。然而，在化石主要产出地河北迁西地区，一直缺乏直接的年代学及相关研究。针对这一问题，研究团队在迁西地区高于庄组发掘化石期间，在化石层位的上方约11米处新发现了一层适合进行年代学研究的火山凝灰岩（图1）。利用先进的SIMS U-Pb锆石定年技术，团队对分离出的锆石晶体进行了精确的年龄测定。尽管这些锆石晶体经历了近期的铅损失，但其207Pb/206Pb体系得以保持，从而提供了一致的年龄数据——1588.8±6.5 Ma（图2）。这一新的SIMS U-Pb年龄数据不仅为高庄化石群提供了直接的年龄约束，而且还为建立高于庄组地层对比框架和在燕山山脉不同地区寻找新的化石层位以及相关古环境研究提供重要了基础信息。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院南京地质古生物研究所的资助。论文相关信息：K. Chen, C. Yang, L. Miao, F. Zhao, and M. Zhu*, “New SIMS U–Pb zircon age on the macroscopic multicellular eukaryotes from the early Mesoproterozoic Gaoyuzhuang Formation, North China,” Geological Magazine, vol. 161, p. e2, 2024. doi:10.1017/S0016756824000220图1 凝灰岩样品的产地与层位图2 凝灰岩中的锆石与SIMS U-Pb年龄

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2024-11
高精度年代学和沉积学揭示白垩纪热河生物群化石特异埋藏原因
中国东北地区早白垩世义县组保存了令人惊叹的特异埋藏化石，这为了解白垩纪陆地生态系统的演化提供了独一无二的证据。这里的化石一部分保存在层状湖相地层中，呈扁平状，保存了良好的软组织，包括羽毛和颜色等；另一部分是保存在块状和较粗粒河流相地层中的三维骨骼化石，呈生前姿势。这些化石的沉积特征、绝对年龄以及化石特异埋藏原因，已争论近半个世纪。近期，中国科学院南京地质古生物研究所研究员沙金庚（退休）、副研究员房亚男与美国哥伦比亚大学、中国科学院古脊椎动物和古人类研究所、南非金山大学等单位学者合作，对辽西义县组露头和岩心进行了高精度的锆石U-Pb年代学、地层学和沉积学研究。结果表明义县组特异埋藏化石是早白垩世大陆生态系统中正常生死现象的短暂快照。相关研究成果于2024年11月5日在线发表于《美国科学院院报》（PNAS）上。本研究取得的主要成果如下：1、义县组陆家屯段三维恐龙化石保存层与尖山沟段湖相地层非同期异相。长期以来，辽西保存有三维骨骼化石的陆家屯段地层被认为是保存有扁平状化石组合的尖山沟段深湖相地层的同期异相地层。研究团队在辽西四合屯-黄半吉沟地区获得的包含完整的义县组下段地层的黄半吉沟1号井岩心是检验这个假说的关键。研究团队对黄半吉沟1号井和相应的野外露头进行了详细的地层学研究，并系统采集了其中的火山碎屑岩和火山灰，进行了高精度的锆石U-Pb化学溶蚀电离质谱法（CA-ID-TIMS）定年，其结果显示尖山沟段深湖相地层覆盖于陆家屯段河流相地层之上，四合屯-黄半吉沟地区的下义县组地层持续时间不超过~9.3万年。2、尖山沟段深湖相地层仅与两个岁差周期一致，与偏心率无关。本研究显示尖山沟段沉积时间非常短，不超过~9.3万年，对应沉积速率不低于~136.7cm/kyr。这比之前估计的沉积速率高一到两个数量级。尖山沟段两层主要的富含化石层（安家沟层和横道子层）对应湖水最深时，常年具有化学分层。最新的年龄模型和时间序列分析发现，这两层化石丰富层可能对应于岁差调制的气候最湿润期。除万年级的轨道周期外，超高的沉积速率也使得尖山沟段保存了千年级别的亚轨道周期或太阳活动周期。3、三维恐龙骨骼化石始于突然的洞穴坍塌而非火山灾难。陆家屯段恐龙动物化石呈现睡眠或其它正常生活行为（如捕食）姿势，巢穴中众多的幼体聚集及它们柔和的睡眠姿势和缺乏滚动、挤压和骨折等证据否认了它们死于强烈的火山泥流，而是埋藏于洞穴坍塌：（1）洞穴筛网。洞穴本身很难保存，但是坍塌的洞穴墙壁类似筛子，将细粒的沉积物过滤到被埋藏的动物身上。研究团队对骨骼化石的基质和外围的沉积物分别进行了激光粒度分析，结果与“洞穴筛网”一致，化石外围的沉积物粒度是化石基质粒度的三到六倍粗。（2）陆家屯段动物化石解剖学特征与挖掘行为一致。陆家屯段化石，如Psittacosaurus身体矮壮，前肢肱骨强健且具有较大的肌肉附着嵴，桡骨和尺骨也同样强健，手指短而肥大，后肢相对较短但灵活性极强。这些特征曾被认为反应半水生习性，但它们与挖掘行为更为一致。（3）岩相学和碎屑锆石显示陆家屯段为冲积或河流相沉积。岩相学和碎屑锆石U-Pb定年表明陆家屯段沉积物经过成土改造，混合有远距离运输的岩屑颗粒、再循环的骨骼碎片和近端火山物质。物源不仅来源于同沉积期的火山物质，还来源于周边显生宙和前寒武纪物源区。这些特征表明陆家屯段为冲积或河流相沉积。本研究得到了国家自然科学基金、中国地质科学院和中国地层委员会的支持。论文相关信息：MacLennan, S.A., Sha, J., Olsen, P.E., Kinney, S.T., Chang, C., Fang, Y., Liu, J., Slibeck, B.B., Chen, E., Schoene, B., 2024. Extremely rapid, yet noncatastrophic, preservation of the flattened-feathered and 3D dinosaurs of the Early Cretaceous of China, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 121 (47) e2322875121, https://doi.org/10.1073/pnas.2322875121 (2024).图 1 岩心和露头的地理位置图 2 义县组化石产出单元关系的时空限制和假说（A）两个假说的图解（B）CA-ID-TIMS锆石年龄，贝叶斯马尔可夫链蒙特卡洛喷发年龄和地层年龄模型及岩心1的地层柱状图图 3 鹦鹉嘴龙（Psittacosaurus）锆石U-Pb激光剥蚀（LA-ICP-MS）和定量衍射粒度测量数据（A）鹦鹉嘴龙陆家屯种标本IVPP 18343和IVPP 18344（B）来自两个恐龙标本（B中的外）的基质远端的锆石年代直方图（C）来自A中的两个鹦鹉嘴龙标本的定量扩散粒度测量数据

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NanoSIMS技术揭示黄铁矿颗粒原位硫同位素组成的极端不均一性
黄铁矿是地壳中分布最广泛的硫化物，通常出现在富含有机质和缺氧的沉积环境中，如现代湖泊、沼泽、海洋沉积物，或黑色页岩、煤层等富含有机质的沉积岩中。沉积型黄铁矿是重要的地质和环境指示矿物，也可以作为油气源岩识别的标志。在非常规油气勘探中，黄铁矿的存在不仅为页岩油气提供储集空间，且其高脆性特征有助于裂缝的产生和扩展，提升储层的可压裂性和渗透性，从而优化储层改造效果、提高产量。特别是草莓状黄铁矿具有较大的比表面积和孔隙体积，为页岩油气提供可观的储集空间。2021年，时任中国科学院南京地质古生物研究所副研究员王伟及其硕士研究生胡永亮曾对华南埃迪卡拉系蓝田岩芯样品中的不同形态黄铁矿进行详细的岩石矿物学与原位硫同位素组成分析，初步揭示埃迪卡拉纪沉积型黄铁矿复杂的成岩过程及其古环境意义。近期，为进一步揭示黄铁矿单颗粒生长环境的复杂性及水环境中硫同位素分馏体系的多变性，博士研究生胡永亮在研究员王伟的指导下，应用扫描电子显微镜 (SEM)、能谱 (EDS)、拉曼光谱和纳米离子探针（NanoSIMS）技术，分析蓝田岩芯不同层位自形/半自形黄铁矿颗粒的晶体结构特征、元素和矿物组成特征、以及原位硫同位素组成特征。研究结果表明微米尺度下单个自形/半自形黄铁矿颗粒内存在极端的硫同位素组成差异，强调黄铁矿生长过程中微环境的快速变化和不同硫来源的复杂混合机制。该研究成果在线发表于国际期刊《海洋和石油地质》(Marine and Petroleum Geology)。研究取得的主要认识如下：1）研究显示结构均一的黄铁矿颗粒的原位硫同位素组成具极端不均一性。研究所选自形/半自形黄铁矿颗粒在岩芯样品中随机分布或平行层面呈条带状分布。与具明显不同生长期次的环带结构黄铁矿不同，所选黄铁矿颗粒在扫描电镜下呈现较为均一的结构特征，且被粘土矿物或自生方解石包裹，表明其主要形成于水岩界面下方的沉积物孔隙水中。NanoSIMS分析揭示了微米尺度下单个自形/半自形黄铁矿颗粒内显著的δ34Spy值差异，最大差值可达69.3‰，且不同黄铁矿颗粒具有显著差异的δ34Spy值变化范围。2）研究认为黄铁矿颗粒内硫同位素值的极端不均一性应与黄铁矿形成模式密切相关。结构均一的自形/半自形黄铁矿颗粒由多个成核点快速沉淀形成，不同成核点混合复杂来源的硫同位素信号，包括硫酸盐向下扩散原位还原形成富34S同位素信号，硫化氢向下扩散带来富32S 的同位素信号，或硫酸盐−甲烷转换带硫酸盐驱动的甲烷厌氧氧化生成富34S 同位素信号。不同黄铁矿颗粒显著差异的δ34Spy值变化范围归因于沉积深度和埋藏速率不同。沉积深度浅，沉积速率低，孔隙水环境相对稳定，导致形成的黄铁矿δ34Spy值偏负且变化范围小；沉积深度浅，沉积速率高，孔隙水环境波动，形成极度不均一的δ34Spy值；沉积深度的增加，沉积速率增高，孔隙水环境逐渐封闭，形成的黄铁矿表现出偏正且变化范围较大的δ34Spy值。复杂的硫元素来源以及沉积环境的差异可能是导致黄铁矿颗粒内极度不均一硫同位素组成的主要原因。3）元素或矿物组成差异对黄铁矿颗粒硫同位素组成不均一性影响有限。EDS分析表明所研究单个自形/半自形黄铁矿颗粒的 S/Fe 原子比显著高于理论值2.0，可能是微量元素（如Ni、Co）置换黄铁矿晶格中的Fe元素导致。δ34Spy值与黄铁矿S/Fe 原子比略呈正相关性，拉曼光谱分析表明黄铁矿颗粒内可能存在磁黄铁矿，其出现点位具有较低的 S/Fe 原子比和δ34Spy值。然而，黄铁矿与磁黄铁矿转化过程中同位素分馏程度较小，因此磁黄铁矿的存在对黄铁矿颗粒内显著δ34S值差异影响有限。该研究掲示，微米尺度下，均一结构黄铁矿单颗粒硫同位素组成的极端不均一性，认为其反映黄铁矿单颗粒生长过程中，微环境的动态变化和不同硫源的复杂混合过程，为探讨埃迪卡拉纪古海洋氧化还原状态演变提供新的研究视角。本项研究得到国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项(B类)和国家自然科学基金的共同资助。相关论文信息：Yongliang Hu,Wei Wang*,Xianye Zhao,Chengguo Guan,Chuanming Zhou,Chenran Song,Hongyi Shi,Yunpeng Sun,Zhe Chen,Xunlai Yuan,2025. Extreme sulfur isotope heterogeneity in individual Ediacaran pyrite grains revealed by NanoSIMS analysis. Marine and Petroleum Geology,171,1−14. https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2024.107201.Wei Wang*,Yongliang Hu,A. D. Muscente,Huan Cui,Chengguo Guan,Jialong Hao,Chuanming Zhou*,2021. Revisiting Ediacaran sulfur isotope chemostratigraphy with in situ NanoSIMS analysis of sedimentary pyrite. Geology,49,611−616. https://doi.org/10.1130/G48262.1.图1 样品LTS01、LTS02中黄铁矿的形态特征和矿物学特征图2 埃迪卡拉系蓝田组自形/半自形黄铁矿及其原位微区硫同位素组成特征图3 埃迪卡拉系蓝田组自形/半自形黄铁矿生长模式

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新方法揭开中生代灭绝植物-异木属化石的系统学关系之谜
木化石是理解地球历史上陆地植被组成和发展的关键依据之一。在被子植物繁盛之前的中生代时期，各类裸子植物主导着地球上的森林生态系统，包括本内苏铁类、苏铁类、银杏类以及松柏类等。其中，有一类已灭绝的裸子植物---异木属（Xenoxylon），是这些类群中化石的重要成员。该属是由德国学者高腾（Gothan）于1905年建立，至今已有近一百二十年的历史。然而，它究竟属于哪一种裸子植物，一直是困扰古植物学界的一个谜团。因此探明它的系统分类位置，历来备受古植物学家的关注。近日，中国科学院南京地质古生物研究所研究员王永栋、德国森肯堡研究院博士后谢奥伟、捷克科学院植物研究所博士Shook Ling Low、沈阳师范大学古生物学院教授田宁和德国森肯堡研究院教授Dieter Uhl合作，通过对异木属的系统发育分析，首创性地将基因信息、木材解剖构造和生物分子特征三类数据进行整合，提出该属与现生松柏类的罗汉松科（Podocarpaceae）具有密切的系统学亲缘关系的观点，为解决异木属化石的系统分类这一谜团提供最新的科学证据。该成果发表于国际学术期刊《系统学与演化杂志》（Journal of Systematics and Evolution）。异木属化石在解剖构造上，以次生木质部具有强烈压扁的管胞径壁纹孔和窗格型交叉场纹孔为特征（图1）。在全球范围内广泛分布于劳亚大陆，已有22种异木属化石被描述和命名。为了解决其系统分类属性，研究团队开展多学科创新研究。采用异木属与五类现生松柏植物的三组整合数据，包括基因特征、木材解剖构造及生物分子组成特征（如生物标志物），涉及南洋杉科（Araucariaceae）、柏科（Cupressaceae）、松科（Pinaceae）、罗汉松科（Podocarpaceae）及金松科（Sciadopityaceae）。针对化石异木属无法获取基因信息的情况，科研人员采取了灭绝类群与现代类群亲缘关系研究中较为常见的缺失数据处理方法。对所有数据经过系统发育的TNT（Tree Analysis using New Technology）最大简约法分析处理，在结合基因和解剖学特征的数据中，异木属表现为南洋杉科的基部成员。科研人员再结合基因和生物分子特征的数据集中发现，异木属与罗汉松科更为接近。结合以上三种特征信息，最终结果表明，异木属与现生罗汉松科之间的亲缘关系最近（图2）。这一成果填补了关于异木属这一灭绝植物类群系统分类位置的认知空白，也为更好了解现生罗汉松科的演化提供了新思路和新证据。本项研究得到中国国家自然科学基金、中国科学院B类战略先导项目及古生物学和地层学国家重点实验室基金项目联合资助，成果开源发表基金由Projekt DEAL提供。论文信息：Xie A.*, Low S.L., Wang Y.*, Tian N., Uhl D., 2024. Novel phylogenetic analysis of the Mesozoic common gymnosperm Xenoxylon Gothan reveals close affinity with extant Podocarpaceae (Coniferales). Journal of Systematics and Evolution. https://doi.org/10.1111/jse.13132图1. 异木属的解剖学特征，示管胞径壁纹孔和交叉场纹孔特征。A–C，喀左异木（Xenoxylon kazuoense Xie, Wang, Tian et D.Uhl），产自于辽西下白垩统九佛堂组。D–F，犹他异木（Xenoxylon utahense Xie et Gee），产自于美国西部犹他州上侏罗统莫里森组（Morrison Formation）。G–I，广元异木（Xenoxylon guangyuanense Tian, Wang et Philippe），产自于四川北部上三叠统须家河组。图2. 结合基因信息、木材解剖构造和生物分子特征数据分析所得到的系统发育树，显示异木属与罗汉松科的系统亲缘关系更为接近。

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2024-11
晚奥陶世大灭绝后腕足动物古生态与古地理研究取得系列进展
晚奥陶世大灭绝事件（Late Ordovician Mass Extinction,LOME）后，已有的研究一般认为此时环境相对单调，全球分布的Hirnantia腕足动物群在纬度和经度上都表现出同质性，且生态多样性低。近年来，科研人员识别到在该事件的两幕之后相继发育两套完全不同的腕足动物群，分别是Hirnantia动物群以及其后的Edgewood-Cathay动物群。但是，关于两套动物群的古生态与古地理的异质性探索一直相对有限。相关问题对理解LOME的生态及古地理效应非常关键。此外，LOME之后复苏与再辐射期间古生物地理变化也有助于了解该次生物事件的复杂效应。近期中国科学院南京地质古生物研究所研究员黄冰，中国科学院院士、南京古生物所研究员戎嘉余，硕士研究生石开彦与美英等国科研人员合作，对上述问题展开系列研究，并取得如下成果。（1）华南Hirnantia动物群的古生态地理的异质性。科研人员利用积累了半个多世纪的来自华南该动物群的多样性和丰度数据，首次揭示Hirnantia动物群的古生态地理分布格局。华南Hirnantia动物群的分布被分为三个区域：深水区、较浅水区和极浅水区。这些区域间底栖生物群落的明显差异揭示了多样化的环境，大致呈现出向西变浅，以及向北和东南方向延伸变深的趋势。科研人员对8个来自相同底栖组合的采样进行的物种丰度模型分析，结果显示，尽管它们所属环境和地理位置接近，但最佳拟合的模型各不相同，表明生态竞争或区域隔离的存在。最终，该研究认为华南Hirnantia动物群的古生态地理分布主要受到华夏古陆的扩张和黔中隆起的影响，这导致了华南Hirnantia动物群在LOME两幕间的异质性繁荣（Huang and Rong,2024）。（2）挪威Edgewood-Cathay动物群的异质性。挪威Oslo地区非常独特，其赫南特早期腕足动物群之后出现了一套较深水的动物群。该研究明显区分了赫南特早期动物群和Edgewood-Cathay动物群，并发现后者尤其具有异质性，认为最有可能是由于LOME第二幕后缺氧的水体阻碍了Edgewood-Cathay动物群的横向扩散（Baarli,Huang and Johnson,2024）。（3）华南LOME后复苏腕足动物群落演替的启示。科研人员基于云南东北部镇雄地区湾子剖面牛场组（鲁丹晚期，基于系统的笔石分带意见）的腕足动物群的系统采集、鉴定及分析，发现其组成与Edgewood-Cathay动物群相比存在明显差异，并更具典型志留纪特征，特别是该动物群中极具特色的大型五房贝类Sinostricklandiella是目前华南最早出现的记录，表明这一支系在华南地区早期就开始了多样化。该群落更替指示的环境变化暗示出该时期全球海侵和区域性黔中隆起之间达到了平衡，为腕足动物的恢复提供了稳定的环境（Huang et al.,2024）。（4）全球腕足动物在LOME后复苏与再辐射期古生物地理与多样性演变的耦合性。长期以来，关于LOME导致的古生物地理分布与生物多样性动态之间的相互作用仍然未知。该研究从古生物学数据库（PBDB）中提取了LOME前后五个时期的腕足动物出现数据，经Fossil brush处理，等经纬度划分古地理单元，应用SQS多样性分析及bootstrap重采样等方法，对LOME前后腕足动物的古生物地理连通性（biogeographic connectedness,BC）进行了研究。最终表明，与广布分子相比，地方性分子对LOME及其后的复苏与再辐射过程更为敏感。两类分子古地理分布变化与SQS多样性波动之间存在一定程度的耦合性。腕足动物在前后生物多样性变化和古生物地理连通性变化趋势表现出时间对称性，然而，对称轴并非预期的灭绝峰值，而是灭绝后的残存期。上述这些认识表明，造成的生态损失相对有限，因而也展示出了复杂的灭绝后效应。本次研究得到国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。成果已于近日正式发表在《古生物学》（Palaeontology）、《古地理学、古气候学、古生态学》（Palaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology）、《古生物学杂志》（Journal of Paleontology）等期刊。论文相关信息：Huang B.,Rong J.Y.,2024. Heterogeneous palaeo-ecogeography of brachiopods during the Late Ordovician mass extinction in South China. Palaeontology, Vol. 67,e12728. https://doi.org/10.1111/pala.12728.Shi K.Y.,Huang B.,2024. Is there synchronicity between brachiopod diversity changes and palaeobiogeographical shifts across the Late Ordovician mass extinction?Palaeontology,Vol. 67,e12730. https://doi.org/10.1111/pala.12730.Baarli B.G.,Huang B.,Johnson M.E.,2024. The deep-water,high-diversity Edgewood-Cathay brachiopod Fauna and its Hirnantian counterpart. Palaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology 642,112153. https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2024.112153.Huang B.,Candela Y.,Shi K.Y.,Rong J.Y.,2024. A new post-LOME (Late Ordovician Mass Extinction) recovery brachiopod fauna from South China. Journal of Paleontology，Vol. 98: 366-377. https://doi.org/10.1017/jpa.2024.14.图1 华南赫南特期Hirnantia动物群的古生态地理分布格局（Huang and Rong,2024）图2，华南具有相同底栖组合环境的Hirnantia动物群丰度模型分析（Huang and Rong,2024）图3. 挪威Oslo地区及全球代表性赫南特期腕足动物群的网络分析（Baarli,Huang and Johnson,2024）图4. 云南镇雄湾子剖面地层柱状图，及笔石与腕足动物的延限图（Huang et al.,2024）图5. 全球腕足动物广布分子与地方性分子在LOME后，多样性与起源灭绝率的差异性反应（Shi and Huang,2024）图6. 全球腕足动物在LOME前后的古地理分布及古生物地理连通性变化（右上）（Shi and Huang,2024）

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2024-10