科研进展
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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
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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 -
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
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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 -
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272024-11
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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<!--!doctype-->272024-11 -
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。252024-11
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蕈树科枫香型(落叶)与蕈树型(常绿)花粉鉴别的新评估与挑战蕈树科由枫香树属（Liquidambar）的15个种组成。传统分类将热带常绿的种类归为蕈树属，温带落叶树的种类归为枫香树属，它们在形态、地理分布范围和生态习性上存在一定的差异。作为木本植物群落，其化石花粉被广泛应用于古植被与古气候重建。但是，蕈树属与枫香树属花粉的传统区分方法存在不确定，需要通过增加标本种类、数量以及取自不同地理居群的更多代表性种类的补充研究来评估。近日，中国科学院南京地质古生物研究所研究员毛礼米课题组与中国科学院植物研究所赖阳均博士报道了蕈树科花粉形态再研究结果（Zhang et al.,2024），该研究分析与讨论了蕈树科花粉归类标准的可行性及存在的问题。研究成果在线发表于《古植物与孢粉学论评》（Review of Palaeobotany and Palynology）。该研究利用高分辨率的光镜与电镜图像集，提取了蕈树科花粉粒几何形态的多种变量，根据多元统计方法，发现蕈树科类型的各种花粉形态特征变量高度重合而无法有效地区分为枫香型（落叶）与蕈树型（常绿），因此，以人类视觉与简单测量来区分并不可靠。另外，通过机器学习方法，发现光镜图像的形态数据模型表现出一定的准确度，其中花粉壁厚度的贡献较大，但经挖掘模型并没有提供可区分的“诀窍”。本次研究认为，化石花粉分析人员在形态鉴别特征尚未明确时应保持谨慎，而非把鉴定的权柄交由“机器人”。其次，在鉴定与归类蕈树科化石花粉时，建议严谨地使用“蕈树科花粉”来统称，并非人为区分为“枫香型”与“蕈树型”两个花粉类型。本项研究得到了古生物学与油气地层应用重点实验室（现代古生物学和地层学国家重点实验室）自主研究课题与国家自然科学基金的资助。论文相关信息：Zhang SJ,Mao LM,Lai YJ. 2024. Reevaluation of pollen differentiation in Altingiaceae: Challenges in distinguishing deciduous (Liquidambar) and evergreen (Altingia) types using multivariate statistics and machine learning. https://doi.org/10.1016/j.revpalbo.2024.105209.图1. 蕈树科全球地理分布与研究标本原产地（数据来自中国国家标本资源平台与Plants of the World Online）图2. 蕈树科花粉的几何形态变量的提取与测量方法 (Zhang et al.,2024)图3. 蕈树科花粉的主要几何形态变量的数量对比及主成分分析结果 (Zhang et al.,2024)图4. 基于光镜与电镜图像形态数据的随机森林模型混淆矩阵 (Zhang et al.,2024)272024-10