科研进展
-
种子植物开通目代表支系-渔网叶属的全球系统学厘定研究开通目（Caytoniales）是典型的种子植物,与被子植物、本内苏铁和种子蕨类有一定亲缘关系。渔网叶属（Sagenopteris Presl）是中生代开通目颇为常见的代表性支系分子，通常以4枚披针形叶片呈假掌状分布且具有典型网状脉结构为主要特征。该属自1838年建立至今已有186年历史，在全球范围内已报道82个种，是最为常见的种子植物支系代表，对于探究中生代种子植物系统演化具有重要意义。然而，已有化石记录中，绝大部分仅依据少量且单一保存的叶片建立，缺乏足够的系统分类学鉴别特征，无法准确确定其分类属性，因此，亟待进行系统学的全面厘定研究。近日，在南京古生物所研究员王永栋和瑞典国家自然历史博物馆教授Stephen McLoughlin的共同指导下，安徽理工大学许媛媛与波兰科学院植物研究所、匈牙利国家博物馆教授Maria Barbacka等研究人员合作，对全球范围内的渔网叶属化石记录，开展了迄今为止最为全面的首次综合分类学评述和系统学厘定研究，相关成果在国际古生物学术刊物《古生物学论文》(Papers in Palaeontology）发表。本研究根据渔网叶属形态特征、表皮结构并结合多元定量统计手段，对该属属征进行首次全面厘定。研究人员根据32个国家和地区的200多个发表数据（涉及1200多个化石标本和100余个角质层玻片），对全球80余个化石记录的种内变异和种间差异程度进行分析，提出最终修订保留为5个有效种，包括：Sagenopteris acuminata（模式种)(尖形渔网叶）、S. colpodes（鞘形渔网叶）、S. hallei（哈利渔网叶）、S. phillipsii（菲利普斯渔网叶）和S. pualensis（普氏渔网叶）。宏观叶形态和角质层微观结构分析表明，渔网叶属自幼叶至成熟叶呈现出明显的“变态发育”过程特征：幼叶无明显中脉，且侧脉结网特征不明显；成熟叶中脉逐渐显著且愈近叶顶中脉愈发消散，侧脉连接形成的网状结构排列不规则（图1-2）。相比于宏观形态呈现显著的种内差异，角质层微观结构比宏观叶形态则表现更为稳定，是十分重要的鉴别特征（图3）。作为已灭绝种子植物，渔网叶属的地史分布时限长达1.65亿年。时空分布分析研究显示，渔网叶属在中三叠世（安尼期）起源于欧洲地区，于晚三叠世经历了一次显著的领地扩张。三叠纪末的灭绝事件并未对其生长产生不利影响，反而在三叠—侏罗纪之交后持续繁盛，并在早—中侏罗世全球变暖时期达到顶峰，几乎遍及全球。晚侏罗世—晚白垩世期间，渔网叶属的分布范围逐渐收缩，到晚白垩世的塞诺曼期—坎潘期，仅在北半球高纬度地区存有少量踪迹，直至新生代完全消失（图4）。开通目类植物在白垩纪末期的衰落直至最终灭绝，可能是由于其在该时期的生态位竞争中处于劣势、而与此同时被子植物等优势类群快速辐射扩张所造成的。该研究对于揭示中生代开通目植物的多样性演变和古气候变化具有重要意义。许媛媛为论文第一作者，王永栋和Stephen McLoughlin为通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金项目重点和面上项目、瑞典研究理事会和国家留学基金委联合资助。论文信息: Yuanyuan Xu,Maria Barbacka,Paweł Kapusta,Agata Jarzynka,Yongdong Wang*,Stephen McLoughlin*,2024. Revision of Sagenopteris (Caytoniales):a major lineage of the Mesozoic seed plants. Papers in Palaeontology,10(6),e1607. Doi: 10.1002/spp2.1607.图1. 渔网叶属模式种（Sagenopteris acuminata）在不同发育阶段的叶形态变化及叶脉特征（比例尺=10 mm）图2. 渔网叶属模式种Sagenopteris acuminata的不同发育阶段叶形态变化示意图（A-D）及植物复原图（E）图3. 渔网叶属各种的角质层微观表皮结构以及气孔器特征示意图A–C,Sagenopteris acuminata. D–F,S. colpodes(Harris) Harris. G–I,S. halleiHarris. J–L,S. phillipsii(Brongniart) Presl.图4. 渔网叶属在中生代的时空分布与演变特征古地理图引自Scotese,2002；黄色区域代表物种分布的大致范围，红色圆点代表化石的分布位置（化石点古坐标转换依据GBDB）022025-01 -
放射性碳同位素揭示1960至1980年代北大西洋中层水团重组大西洋经向翻转流（AMOC）是大洋温盐环流的重要一环，可以调节大洋经向热量、碳以及营养元素的再分配，影响着局部甚至全球气候和生产力模式。尽管变化的确切时间节点及程度还存在争议，但近年来模型模拟和记录研究都显示AMOC在过去几个世纪具有减弱的趋势，且越来越多证据表明其在1970年代以来迅速减弱。由于缺少大洋内部水团的变化记录，中低纬度海洋内部水团对于AMOC变化的响应还存在未知。近日，中国科学院南京地质古生物研究所博士刘倩、副研究员李涛以及来自英国布里斯托尔大学和南京大学的学者合作，利用热带大西洋的深海珊瑚样品，获得过去两百年以来高分辨率热带大西洋中层关键带海水的放射性碳同位素演化记录，揭示北大西洋深层水（NADW）和南极中层水（AAIW）在热带大西洋的影响变化，暗示北大西洋在1960至1980年代存在大规模水团重组，为预测未来AMOC以及北大西洋水团的响应变化提供了重要参考。相关研究成果已经在《地球和行星科学快报》 （Earth and Planetary Science Letters）发表。水团中放射性碳同位素（14C）含量是示踪水团变化的有效工具。NADW和AAIW是AMOC的重要组成部分，二者的14C含量存在显著差异。NADW相对年轻，Δ14C特征值在-86 ± 8‰范围；AAIW的Δ14C特征值则在-99 ± 11‰范围。通过中层水混合带的14C演化记录可以推断NADW与AAIW分别在记录位置影响的相对强弱，并推断可能的水团重组变化。利用水团14C含量重建过去二百年以来AMOC的变化的关键是寻找合适的记录载体。海洋沉积物有孔虫壳体是重建海水14C演化的重要材料，但大部分海洋钻孔的沉积速率较低 (~1 – 2 cm/kyr)，无法满足记录近二百年的高分辨率海洋变化的需求。冷水珊瑚中的石珊瑚化石也是记录海洋14C含量的可靠载体。但石珊瑚通常为单体珊瑚，无法获得连续的高分辨率记录。冷水珊瑚中的竹节柳珊瑚（Isididae or bamboo coral）是一种寿命较长的枝状珊瑚，具有记录高分辨率海水14C含量变化的潜力。同时，竹节柳珊瑚具有独特的骨骼结构（方解石和有机质骨骼间隔生长），能够同时记录周围环境和表层海水的14C演化。本研究利用竹节柳珊瑚的方解石骨骼建立过去二百年以来热带北大西洋中层水高分辨率14C演化记录，发现中部及东部热带北大西洋中层水的Δ14C在1960年代前相对稳定，而在1960至1980年代增加并保持至珊瑚采集时间2013年（图1）。短时间尺度内中层水Δ14C的上升可能与AMOC强度减弱导致的NADW上移或者AAIW的南撤有关（图2）。本研究对比过去几百年北大西洋表层及高纬度北大西洋数据及模拟记录发现，热带大西洋中层水的水团变化并不是局部变化，而更可能是大尺度的北大西洋水团重组（图3）。该研究结果为预测未来AMOC以及北大西洋水团的响应变化提供了重要参考。本研究得到科技部重点研发计划青年项目(2023YFF0806100)、中国博士后科学基金会(2024M763370)、ERC 和NERC (278705, NE/S001743/1, NE/R005117/1)和古生物学与油气地层应用重点实验室的资助。相关论文信息：Liu, Q., Robinson, L.F., Hendy, E., Stewart, J.A., Li, T., Chen, T., Knowles, T.D.J., 2025. Radiocarbon evidence of a North Atlantic intermediate water reconfiguration between the 1960s and 1980s. Earth and Planetary Science Letters 652, 119184. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.119184图1：竹节柳珊瑚方解石骨骼记录的热带大西洋中层水Δ14C演化图2：1960年代之后北大西洋中层水的潜在变化示意图图3：AMOC指标对比图<!--!doctype-->312024-12 -
刺蕨属（蚌壳蕨科）植物化石揭示早白垩世古地理和古气候意义蚌壳蕨科是真蕨类植物的代表性成员，是揭示中生代和现代气候环境变化的重要植物类群。刺蕨属Acanthopteris由古植物学家斯行健于1931年建立，迄今已90多年，但我们对早白垩世这一代表性植物的化石记录、多样性、时空分布和古气候特征的了解仍然有限。近日，中国科学院南京地质古生物研究所研究员王永栋领衔的中生代植物演化与环境研究团队对刺蕨属开展了系统学研究，并进一步揭示其古地理分布和古气候意义。该成果发表在国际学术刊物《白垩纪研究》(Cretaceous Research)。蚌壳蕨科在中生代时期高度多样化，主要繁盛于侏罗纪和白垩纪，包括锥叶蕨属（Coniopteris Brongniart）、刺蕨属（Acanthopteris Sze）和爱博拉契蕨属（Eboracia Thomas）等灭绝属，以及蚌壳蕨属（Dicksonia L'Hér.）和毛囊蕨属（Lophosoria Presl）现生属在内的多个属。刺蕨属Acanthopteris是早白垩世东亚植物区系的代表分子之一，首次报道于辽宁阜新早白垩世地层中，模式种为高腾刺蕨（A. gothani Sze）。研究人员对迄今为止全球发现的化石记录进行梳理与评估，结合营养叶和生殖叶标本性状等特征（图1），对刺蕨属的属征进行修订，并结合聚类分析方法，提出刺蕨属所有的化石可以归入5个有效物种，包括：高腾刺蕨（A. gothani Sze）、尖叶刺蕨（A. acutata (Samylina) Zhang）、具翼刺蕨（A. alata(Fontaine) Zhang）、拟金粉蕨型刺蕨（A. onychioides (Vassil. et K. M.) Zhang）和斯氏刺蕨（A. szei Cao）（图2）。从地质时代角度，刺蕨属仅限在白垩纪阿普特早期-阿尔布期分布，并反映了热带和亚热带地区温暖湿润的气候特征，具有重要的时代和气候指示意义。从古地理角度分析，刺蕨属的化石记录主要分布于东亚中国北方植物区系以及西伯利亚和日本内带。在北方植物区系，分布地区集中在辽宁、吉林、黑龙江、内蒙古和北京地区，尤其是在中国东北地区更为丰富（图3）。上述成果和认识，为进一步探究东亚地区白垩纪植被演化与温室气候变化提供了重要的化石证据。该论文第一作者为中国科学院南京地质古生物研究所和成都理工大学联合培养硕士袁梦，通讯作者为王永栋。南京古生物所副研究员李亚和博士后张立，江西省、中国科学院庐山植物园副研究员崔一鸣，以及东北煤田地质局一〇一勘探队高级工程师周旭等合作完成此项研究。该研究得到了国家自然科学基金重大项目、重点项目和青年科学基金项目，中国科学院战略性先导科技专项（B类）子课题以及国际地球科学计划IGCP679项目等资助与支持。论文信息：Yuan M,Wang YD*,Zhou X,Li Y,Cui YM,Zhang L,2024. The Early Cretaceous tree fern Acanthopteris (Dicksoniaceae):New insight into fossil records,species diversity,palaeogeography and palaeoclimate. Cretaceous Research,162,105934. https://doi.org/10.1016/j.cretres.2024.105934图1.新采集自辽宁铁法盆地下白垩统的高腾刺蕨Acanthopteris gothani Sze标本。A,B,营养叶标本，显示三次羽状复叶及主轴和小羽片；C-F. 生殖叶标本，显示小羽片、孢子囊形态及其着生位置。图2 利用UPGMA分析方法重建的Acanthopteris五个种的系统树结果图3. 刺蕨属Acanthopteris化石在中国及西伯利亚等地的古地理分布（古地理图源自 Scotese, 2021）。 A. 模式种 Acanthopteris gothani Sze; B. 刺蕨属五个有效种的古地理分布。不同颜色的X代表不同的种，包括Acanthopteris gothani Sze (蓝色); Acanthopteris acutata (Samylina) Zhang (红色); Acanthopteris alata (Fontaine) Zhang (绿色); Acanthopteris onychioides (Vassilevskaja et Kara-Mursa) Zhang (紫色) and Acanthopteris szei Cao (橘黄色)302024-12 -
真菌“犁耕”驱动硅酸盐矿物持续风化微生物-矿物的相互作用是地质和地球化学过程的重要驱动力，研究表明，真菌在成壤、成矿、元素生物地球化学循环及陆地植物繁殖和演化中发挥了重要作用。近期，中国科学院南京地质古生物研究所副研究员李子波与南京大学教授陆现彩等通过实验研究了真菌与老化橄榄石和利蛇纹石的相互作用，揭示了真菌菌丝能够促进硅酸盐矿物的风化。相关研究成果最近发表在自然指数期刊《地球物理研究通讯》（Geophysical Research Letters）上。在微生物-矿物的相互作用过程中，矿物为微生物的生长和代谢提供能量和养分，而微生物通过代谢活动改变矿物的溶解、转化和生成过程。这种交互作用发生在单细胞水平的微观界面上，塑造了微生物的进化和矿物的演变，并对地质事件、生物地球化学循环和矿床形成等产生了深远的影响。真菌是地球上最古老且多样性最显著的生物类群之一，其独特之处在于其菌丝的顶端延长生长模式。这种生长方式使真菌菌丝顶端能够产生高达10−20 μN/μM2的膨胀力，能够深入探索和侵入周围环境。近年来，研究真菌在地质和地球化学过程中的作用逐渐形成了一个新兴学科—地质真菌学（Geomycology）。前人研究发现，真菌能够显著加速硅酸盐矿物的风化并形成溶蚀孔洞，真菌菌丝顶端的生物物理力可以直接破坏矿物的晶体结构，随之而来的代谢产物（如质子、有机酸和铁载体）的生物化学作用导致元素的溶解和迁移，这两种力协同作用有效促进矿物的风化。李子波等前期的研究也发现，真菌菌丝与矿物接触时会主动启动风化作用，并进一步证明真菌菌丝顶端的生物物理力对风化程度至关重要。然而，几乎所有的相关研究集中在新鲜硅酸盐矿物上，而对拥有改变层（富Si沉积层）的老化矿物的风化作用却知之甚少。实际上，改变层在硅酸盐矿物溶解过程中快速形成，继而显著抑制无菌条件下矿物的进一步溶解，但真菌对老化硅酸盐矿物的风化作用至今未见报道。针对这一问题，李子波等通过实验研究取得几个重要发现。一是真菌能够显著提高老化硅酸盐矿物的溶解速率。橄榄石和利蛇纹石在酸性溶液中老化处理后形成富硅的改变层。随着前处理时间的增加，改变层的厚度增加，矿物的溶解速率在无菌条件下逐渐降低。相比于无菌作用，真菌可将老化硅酸盐矿物的溶解速率提高1−2个数量级，真菌将老化橄榄石的溶解提高9−14倍，将老化利蛇纹石的溶解提高71−123倍。二是真菌菌丝能够穿透改变层并刻蚀其下新鲜矿物。在培养24小时后，真菌菌丝在新鲜和老化硅酸盐矿物表面均产生溶蚀通道，其在橄榄石表面为18−65纳米，在利蛇纹石表面为10−32纳米。在培养20天后，真菌菌丝刻蚀并穿透改变层，进一步促进矿物中元素的溶解。三是真菌能够促进改变层内物质和能量的扩散。对于经过480小时前处理的橄榄石，在真菌菌丝尖端和末端-橄榄石界面处，改变层的厚度分别从约110纳米增加到230纳米，及从约20纳米增加到380纳米。改变层下矿物晶体结构中的Fe(II)被真菌氧化。对于经过96小时前处理的利蛇纹石，菌丝促进改变层中元素的溶解，菌丝与利蛇纹石界面下改变层厚度从约3.3微米增加至6.2微米。虽然真菌菌丝对Mg/Si归一化摩尔比小于0.65的改变层的溶解促进作用较弱，但随着真菌与矿物接触时间的增加，其下新鲜矿物会发生进一步溶解。相关研究证明，真菌会主动根据环境中营养元素的生物有效性调节其生长行为，通过刻蚀和侵入作用有效破坏改变层。在菌丝生物物理力破坏改变层下，代谢产物，包括质子、小分子络合物和活性氧物质（ROS），及矿物中溶解的阳离子能够在改变层中高效扩散，继而持续促进硅酸盐矿物的风化。该研究不仅深化了对微生物调控的重要地质和地球化学过程的理解，还为矿物生命痕迹的探寻提供重要的理论基础。该研究工作得到国家自然科学基金重大项目、国家自然科学基金面上项目和国家自然科学基金重点项目的共同资助。论文相关信息：Li, Z.‐B., Lu, X., Li, G., Jin, Z., Liu, L., Yin, Z., et al. (2024). Continuable weathering of silicate minerals driven by fungal plowing. Geophysical Research Letters, 51, e2024GL111197.https://doi.org/10.1029/2024GL111197图1 真菌与无菌风化实验中20天内溶解铁的浓度。方括号内的数值表示增强因子（Fefungal,max/Feabiotic,max），表示真菌风化相较于无菌风化对溶解铁浓度的提升幅度。图2 真菌菌丝在橄榄石和利蛇纹石上的生长长度及刻蚀和穿透作用。图3 培养24小时后，透射电镜-能谱分析真菌菌丝与溶液-橄榄石（前处理480小时）和利蛇纹石（处理96小时）界面下的Mg/Si 归一化摩尔比。图4 培养 24 小时后，真菌作用下橄榄石（前处理480 小时）晶体结构的变化及 Fe(II) 的氧化。262024-12
-
双壳类化石证明海水在距今约7000万年前从西昆仑地区退去在地质历史上，古地理演化是影响气候、环境和生物变化的第一位控制因素。海陆格局转换是古地理演化中的一个关键过程，它可能对大洋和大气环流、河流、区域气候、动植物类型和分布等方面的演变具有重要影响。在古高度历史重建中，海陆转换也被用来标记该地区地表隆升的开始：即区域最高海相地层沉积结束时间通常被用来限定该地区地表隆升的起始。在青藏高原西北部的西昆仑地区，富含固着蛤（双壳类）的铁隆滩群是该地区发育的最高海相地层（图1）。一百多年前，欧洲探险家和古生物学家德·菲利皮（De Filippi）、亨利·杜维莱（Henri Douville）、弗朗茨·克林哈特（Franz Klinghardt）、法布里齐奥·帕罗纳（Fabrizio Parona）等就对铁隆滩群进行了样品采集和固着蛤种属鉴定，初步认为其时代为晚白垩世塞诺曼期–土伦期（距今约1亿年至9千万年前）。在1987–1992年的喀喇昆仑-昆仑山科学考察中，我国老一辈地质学家们（中国科学院南京地质古生物研究所研究员文世宣等）首次对铁隆滩群中的固着蛤化石进行了粗略（属级别）鉴定，认为铁隆滩群的时代可能是土伦期–坎潘期（距今约9400万年至7200万年前）。2020年，中国科学院南京地质古生物研究所研究员沙金庚等学者对帕罗纳等研究过的固着蛤进行了种属修订，认为铁隆滩群的沉积时间至少可以延伸到坎潘期中期（距今约7600万年前）。然而，也有部分学者认为西昆仑地区在古新世–始新世期间（距今约6600万年至3400万年之间）仍然被海水覆盖，并命名这片海域为“松西海湾”。尽管学者们在百年前就对西昆仑地区铁隆滩群开展研究，由于该地区气候环境恶劣，地层学研究相较薄弱，西昆仑地区海退时间尚未得到较好的限定。为此，中国科学院青藏高原研究所研究员、碰撞隆升及影响团队张清海和中国科学院院士丁林、博士研究生高彬涛等连续多年在西昆仑地区开展了野外考察和剖面测量/样品采集，与中国科学院南京地质古生物研究所副研究员饶馨合作，基于剖面/样品中获得的固着蛤化石，对铁隆滩群灰岩开展了生物地层研究（图2），该成果近日发表在国际期刊《白垩纪研究》(Cretaceous Research)。研究共发现4个属2个种的固着蛤，其中最年轻化石Biradiolites boldjuanensis（固着蛤）表明，铁隆滩群顶部的时代可以延伸至距今约7000万年前（马斯特里赫特期早期）（图3）。目前，尚未有证据可以证实古新世–始新世期间西昆仑地区存在“松西海湾”。本研究获得第二次青藏高原综合科学考察研究（2019QZKK0708）、国家自然科学基金项目（41972032, 42272027, 41988101）等联合资助。 论文信息：Gao Bintao, Zhang Qinghai*, Rao Xin*, Ding Lin, 2024. Persistence of a shallow-marine environment in the western Kunlun area (northwestern Tibet) until the early Maastrichtian: Evidence from radiolitid rudist bivalves. Cretaceous Research, 167, 106035. https://doi.org/10.1016/j.cretres.2024.106035图1 研究区位置简图（A）距今70 00万年前古地理重建和研究区位置；（B）青藏高原主要构造单元示意图；（C）剖面和样品采样位置；（D）西昆仑地区地层柱状简图图2 最年轻浮游有孔虫和固着蛤薄片及显微扫描照片A –C Muricohedbergella holmdelensis (Olsson, 1964), A正视图，B–C侧视图；D–K Biradiolites boldjuanensis Bobkova, D–E横切面照片，F–G纵切面显微扫描照片，H–K薄片镜下特征，H–I聚集体镜下照片，J 纵切面镜下照片，K 横切面镜下照片图3 铁隆滩群生物地层年代图232024-12 -
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<!--!doctype-->202024-12 -
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182024-12 -
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<!--!doctype-->122024-12
-
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092024-12 -
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282024-11