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实验室的故事④ | 讲述地球的过去寻找地质的未来——访现代古生物与地层学国家重点实验室

交汇点讯 脊椎动物的祖先是谁?地球大气的含氧量为什么要花20亿年之久才从现在大气含氧量的1%增加到现在的60%以上?植物登陆后对地球气候造成了怎样的影响? 3.5亿年前地球骤冷的幕后推手是谁?人们对地球的过去有着无穷无尽的好奇心。

这些地球古老的秘密,都由一群整天和化石打交道的人揭开——他们来自中国科学院南京地质古生物研究所(以下简称“南古所”)现代古生物学和地层学国家重点实验室。南古所于1951年成立,目前是我国唯事古生物学 (古无脊椎动物学与古植物学)和地层学研究的专业机构。7月中旬,《科技周刊》记者探访该国家重点实验室,在实验室里探寻地球过去和未来的故事。

精密仪器各显神通,让化石“开口”

“我们的工作就好像‘家庭主妇’,科学家主外,我们主内,做好支撑服务,为科研提供充分、准确可靠精确的数据。”南古所实验技术中心副主任刘静介绍,科学家在野外采集化石,实验室则对化石进行前期预处理,然后再利用科学技术手段获取数据。

“化石就是生物在某种特定环境条件下保存下来的遗体、遗物或遗迹,我们所研究的最古老的化石年份可以追溯到十五、六亿年前甚至更早。”陈波研究员介绍,化石预处理分为物理预处理和化学预处理。“我们会用电锯把化石切成薄片,就像切割翡翠一样,然后打磨光滑。这是物理预处理。” 陈波说,“微体化石则需要根据材质选择不同的化学预处理办法,如采用酸、双氧水等浸泡化石,调整浓度以精准除去不需要的成分。”

预处理后,实验人员则会采用电镜观测、CT成像、同位素分析等方法获取更加丰富地的化石信息。“CT扫描化石和我们去医院体检做CT一个道理,断层扫描后再重建图像。”陈波说,有些化石比较珍贵,不适合切片处理,就会用CT扫描观测;还有些化石光凭肉眼无法清晰观测到它细微内部构造,也要通过 CT扫描了解内部精确的三维结构。

“而同位素质谱仪就是通过分析样本的同位素比值,来推测其生存期间的环境信息。”陈波举例,氧同位素可以还原地质历史时期海水温度信息,实验室曾用这种分析手段发现了距今约3.5亿年前地球经历一次突然变冷事件。“结合种子植物化石证据,证明其当时直接消耗大气中的二氧化碳,导致气候变冷和冰川在高纬度地区的发育,揭示种子植物的扩张就是这次全球气候变冷事件的幕后推手。”

在扫描电子显微镜室,一个个微小的样品粘在专用样品台上,它们都呈现亮眼的银色。“样品必须镀上几纳米厚度的铂金才能导电观察,不导电的化石样品必须要让他导电才能在扫描电镜下观察。”南古所实验技术中心高级工程师方艳介绍,电镜还可以联用X射线能谱仪检测化石的元素成分。现在的扫描电子显微镜可以观察到纳米尺度的各种微观结构,不同的物种往往在微米和纳米尺度上有着十分复杂而且特别奇特的结构。“蚊子、蝴蝶翅膀、苍蝇复眼,这些我们眼睛看到的生物结构,如果你再看他在微米或者纳米尺度的变化,你会发现那又是另一个世界。”

实验室内,最具备艺术感的莫过于化石数字媒体工作室,几十余幅古生物复原图挂在墙上,观看这些画作宛若置身于远古时代。据介绍,墙上的作品均由南古所画师杨定华绘制。“科学家说我听,听一遍基本画面就在脑子里了。在我脑海中,总是想让复原图变成可以看到并触摸到的场景。”杨定华介绍,绘制一幅画需要近一个月甚至更久的时间。“我们要注重细节和把握科学性,此外绘制过程中科学家也会和我不断进行沟通及修改。” 杨定华说,已绘制的复原图已多次刊登在《自然》等著名国际期刊上,国内目前从事古生物复原的画师一只手数得过来。

做化石分析就像老中医“问诊”

“我们做实验室分析测试工作有点像老中医,接触的案例越多,经验越丰富。”从业十五年来,方艳始终认为实验人员需要通过接触更多的样品获得必要的经验。

当《科技周刊》记者通过电子显微镜清晰看到几纳米的微观化石时,感叹谁都能做研究。“其实不然,这就好像在沙滩上找贝壳一样,找出最有价值的那个需要观测者敏锐的发现力和洞察力。”方艳说,再好的仪器也需要人来操作。他结合自身工作表示,每次电镜观测都是一次新任务,设备精密度、实验手段都随便变量,一名成熟的电镜工程师需要在经验的积累前提下,与时俱进、不断学习。

“同样是微体化石,孢粉比牙形刺又要小需多,如果使用同一种胶去固定样品,前者会陷进胶里造成样品报废,后者反而毫发无损。”方艳再次举例,电镜工程师必须掌握具体问题具体分析的思维,固定胶的选择决定这成像的优劣,而这些小细节不仅是经验,更在于用心。

“目前我们仅仅靠化石的形貌学得到的数据远远不能满足科研需要,如果想知道化石背后的故事,比如古环境信息必须依靠仪器设备获取更多的信息。”刘静坦言,古生物科学家们依旧存在困惑:根据现有技术,有时仅了解化石所处的生物环境,却无法继续了解生物曾经经历了什么、为什么会变成这样。

刘静表示,现有研究更多的是科学家针对某个科学问题提出假设,然后在野外找寻样品,再通过多种实验分析测试手段得到数据验证猜想。在她看来,科学家往往除了需要给门类化石的信息,还需要各类高精度的分析测试数据,整合数据后才能把讲述一个完整清晰的故事来解答科学问题。“虽说地球的现在是了解它的过去和未来的关键,但古生物学家们一直孜孜不倦地通过化石溯源过去,探寻地球远古生命的故事,随着更多出色的科研成果的产出,他们将更好地链接现在和未来”刘静憧憬道。

苦坐冷板凳,回答“我们从哪里来”

移步于各个实验室之间,《科技周刊》记者不禁发问:几亿年前的古生物和现在的生活、生产有什么关系?为什么要去研究古生物?

“我们的工作就是为了回答人生三大哲学问题:我是谁?我从哪里来?我要到哪里去?”陈波研究员总结,古生物研究就是为了探究生命起源和演化历程,回答“我们从哪里来”。“地球上已经有过五次生物大灭绝事件了,第六次离我们有多远?这都是古生物学家需要做的事情。”

陈波坦言,在野外工作时,也会有农民问科研人员是不是采矿的。“我们也从事直接面向国民经济主战场的工作,比如找石油。”陈波介绍,南古所近年来成立了专门的地层古生物咨询中心与中石化等产业部门合作,提供专业的咨询服务解决产业部门生产过程中遇到的地层和古生物问题。

但大部分实验人员还是十几年如一日和化石打交道。“其实这项工作并没有想象中那么枯燥。”方老师说,他在给小学生作科普讲解时,会问他们,一个虫子放大一千倍、一万倍或者十万倍是什么样子?“这些东西就在我们身边,但我们从来没看到过,而电子显微镜可以。它可以让我每天看到不一样的世界。”

“实验室工作其实非常有趣,曾有同事用酸处理的方法发现了用糖水冒充的蜂蜜。”刘静笑称,她的工作就是与数据打交道,每当数据出炉后她都会兴冲冲的向科学家发问是否属于期待的数据变化并乐在其中。“每当科学家打电话告诉我,他利用我们提供的数据发表了优秀期刊,我也会很骄傲,觉得自己的付出非常有意义。”刘静表示,社会上的工作往往有人台前,有人幕后,而实验工作就属于幕后。“所以我们的劳动付出得到认可的时候,也就是我们实验工作者的高光时刻。”

而陈波则认为实验工作的意义在于提供准确的数据。“有一类科学家,拿到数据发表文章,但若干年后可能发现自己当初的想法狭隘片面,要推翻已经发表的结论,这很正常,只是受限于认识不够,但数据是经得起检验的。”陈波说,“还有一类科学家拿到实验数据后发表文章,若干年后发现由于测试错误或者实验污染造成数据有问题,这就很可悲甚至可能影响到科学家的声誉。”针对第二种情况,陈波表示,实验室一定要提供精、准,经得起检验的数据,否则就会引导科研走向错误。

“地球的现在是探寻过去与未来的关键。”刘静认为,古生物学家的工作与当下并不脱节。“例如,古生物学家需要在现生海洋生物身上验证研究方法,然后才能应用到古海洋生物身上。”在刘静看来,古生物学家研究过去的目的就是为了探寻未来。她举例,所里曾发现3亿年前的巨量碳排放导致了海洋缺氧和生物多样性显著下降,但这个现今有何关系?刘静表示,当今全球气候变暖,这项研究对现今控制碳排放有很大启示意义。人们更关心地球未来的环境与生物多样性。通过研究远古地球生物与生态,古生物学家可以解释清楚现在的故事,并预测地球的未来。

新华日报·交汇点记者 张宣 实习生 孙广哲

图 受访单位提供

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