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穿越前寒武纪
——记西北大学地质学系副主任华洪教授
本刊记者 宋 洁
“古生物其实并不像大家认识的那样,只是一个时间的标签.随着研究的进展,我们越来越发现,古生物本身是对环境的一个很好的反馈.换句话说,我们可以通过古生物的面貌去反溯当时环境的变化.”华洪说.
追根究底,华洪所专注的事业,让他更像是一个时空穿越者.透过古生物这一媒介,他穿梭在前寒武纪的洪荒里,探索着过去那个遥远的未知世纪.或许深奥艰涩,或许挑战迭生,他却如入桃源,乐在其中.
探索曾经的沧海桑田
当时的陇东没有这么多的黄土
稀疏的橡树、桦树随风摇摆
茂盛的莎草、蒿草犹如绿色的地毯
蔷薇花多彩、野菊花金黄
200万年前的陇东大地
树木葱茏,花草烂漫
——黄河象
2015年9月,西北大学博物馆迎来了一批特殊的客人,他们是来自香港特别行政区的全国人大代表.走进古脊椎动物馆后,他们发现这里陈列着大象标本,尤其令他们惊讶的是这些大象标本是从陕西关中地区以及周边的甘肃等地发现的.明明生活在偏热带环境里的大象怎么可能出现在西北地区？
“如果是现在肯定不可能,但当时能出现大象,就意味着那时的气候适宜它们生活.”华洪给这群客人解释,那个时候,西北地区的温度比现在要高得多,有很多的植被.而之所以能演变成现在的模样,是地球环境在短短的一二百万年中发生了翻天覆地的变化.
是的,在古生物学者的眼睛里,沧海桑田多过亘古不变.就像号称古生物学和地质学上一大悬案的“寒武纪生命大爆发”——大约5亿4千万年前,也就是寒武纪开始的时候,突然出现了门类众多的无脊椎动物.说“突然”,是因为在寒武纪之前更为古老的地层中长期找不到动物化石的迹象.“前寒武纪研究一直在不断推出新的进展,这些进展的出现不断充实和改变着人们以前的认识.寒武纪生命大爆发之前的研究涉及到很多重大的科学问题.”在华洪的认知中,寒武纪无脊椎动物的出现必然是经过长时间进化才产生的,这才符合达尔文生物进化论的原则,那么最大的问题来了,最早的生命到底是怎么出现的？“这个问题,现在已经成了一个哲学大命题.”
当然不止这一个问题.华洪继续述说自己的心得,继生命命题之后,第二大问题就是当时的原核生物是如何变成真核生物的.而第三大问题则是单细胞生物如何变成多细胞生物.
“在这个时期,组织的分化、器官的分化一步步发展起来,生物逐渐由单级生物变成多级生物.”他开始打比方,开始可能只有细菌,后来就出现了藻类,慢慢地,动物也诞生了.古生物学家们想知道,最早的动物是什么时候在什么地方出现的,是怎样的环境条件推动了动物的形成.“在这条线索中同时还穿插着地球环境上的巨大改变.比如,氧气的逐步增加,因为只有氧气增加到一定程度,高等的生物才会有生活的条件.再比如,最早的动物是没有骨骼支撑的,而只有有了骨骼支撑,动物才能更好的运动.”
相对于这一大背景,华洪主要的研究精力就放在动物出现以后,寒武纪生命大爆发之前——最早的带壳（外骨骼）生物是什么时候出现的？当时的环境变化是怎样的？什么样的因素促使动物来分泌这样的骨骼来自我保护？
一连串的问题,串起了地球历史上一个特殊的阶段——“前寒武纪”.而他的研究,说到底就是骨骼化起源及其环境背景.相对寒武纪研究来说,前寒武纪的研究者要面临更多的空白领域,这也为他们的研究增加了难度.从选定这个方向起,华洪就意识到这一点,但无论过去还是现在,他都不觉得这有什么值得畏惧的.
选择是偶然,也是必然
我们不知道化石深处的黎明
我们知道
化石深处有春寒中苏醒的大地
有雁声飞渡的晚秋
和原古生命对未来的呼唤
——化石深处的黎明
上世纪80年代,华洪考入西北大学地质系地质学专业.等到开设《地史学》课程时,华洪被老师讲述的那个神秘世界所吸引,学习起来也格外认真.每次实习课之前,他都会仔细地做好预习,不止是看书,还要把将要实习的时代的典型柱状图预先画好.他的“画图”极具风格,每个时代会出现什么化石,他都会把对应的素描图标注进柱状图里去.这样具象而美观的作业一交上去,地史学老师就极为欣赏,每次都会当做范本在班上展示,告诉学生们,作业还可以这样做.
《地史学》不仅是地质学,也是古生物学的核心课程.师长的鼓励,在华洪心中种下一粒种子,何时萌芽,只待时机.华洪升入大学三年级时,恰逢国家305项目启动不久,这个项目的主要目的就是针对新疆地区的矿产资源进行地质勘查,他们系也承担了一个课题,目标是天山.怀着对大漠戈壁和新疆这片未知世界的渴望,华洪也跟进了这支考察实习队.
“我们到天山考察的第一天,刚把营房帐篷搭好,老师就想出去散散步,顺便看看那边的山沟里有什么地质现象,结果就用铁锤打出了一颗笔石化石,恰好解决了一个长期悬而未决的问题.”亲眼目睹那一幕,华洪年轻的心里无比震撼,彼时他才发现古生物原来对解决重大问题有这么大的帮助.“后来,每次出去考察,都会感觉在古生物学科,再怎么做工作,总会有一些新的发现涌出来.整个古生物学科充满了挑战,这是我特别感兴趣的地方.”华洪说.
1987年,华洪大学毕业了,他想要更深入地钻研古生物学,因此选择跟随那位地史学老师攻读硕士学位.“他是做早期生命研究的,主要精力在12?14亿年前的叠层石上.我也就跟着他走上了叠层石研究之路.”从那时起,他开始跟进导师负责的基金项目,从河南到陕西,从甘肃到宁夏,从叠层石转到中元古代遗迹化石研究.“一开始做得不是太成功.”华洪轻描淡写地说了一句,然而,这种不顺利并不能成为阻碍他继续走下去的理由.相反,在1990年获得西北大学地质学系古生物学地层学硕士学位之后,他依然念念不忘继续深造.
“我老家是江苏的,大学时代,父母从西安调回了无锡老家.而我在学古生物之后,就知道了江苏有一个中国最好的古生物研究所——南京地质古生物研究所,那时我就想有一天能去南古所,离家乡近一些.”或许是天意,在攻读硕士学位期间,华洪的导师与南古所的一位老师保持了长年的学术交流,华洪也因此常常去南古所学习.留校5年后,华洪一心想要读博士,这一次,他考入的就是南古所,他的“小心愿”终于实现了.
“选择古生物学,是偶然,也是必然.”谈到自己当年的经历,华洪这样说.此后,1998年,他拿到南古所博士学位.2000年10月至2001年10月,他以访问学者身份赴加拿大Saskatchewan大学地球科学系开展博士后研究.2003年3月至2009年1月,他又在中科院南京地质古生物研究所进行了新一轮的博士后研究.不断的学习和充实之间,华洪本人的事业也在走上坡路：2003年晋升为副研究员,2006年晋升为教授并入选教育部新世纪优秀人才,2008年遴选为古生物学与地层学专业博士生导师,而现在的他,是西北大学地质学系副主任.是的,即使有了回乡的机会,他也并没有真的离开西北大学.兜兜转转之中,他的事业依然在千里之外的那方土地上.
有一种情怀叫高家山
最早的鱼儿怎么没下巴?
最早的鸟儿怎么嘴长牙?
最早登陆的鱼儿怎么没有腿?
最早的树儿怎么不开花?
逝去万载的世界可会重现?
沉睡亿年的石头能否说话?
长眠地下刚苏醒的化石啊,
请向我一一讲述那奇幻的神话.
——化石吟
“2000年前后,我申请了一个国家自然科学基金项目,研究高家山生物群里的微体骨骼化石.这项研究一直延续到现在,先后获得了国家自然科学基金3个面上项目以及一个重点项目的支持,取得了重大的进展.”
华洪自称,他的研究是在老先生的基础之上往下做,不断取得进展,最具代表性的,就是将高家山生物群中的生物门类做了系统阐述和研究,也修正了此前学界的一些错误认识.其中,对C o n o t u b u s (锥管虫)和G a o j i a s h a n i a （高家山虫）的重新厘定就是重要的一环.不止如此,他们还对其进行了新的形态学信息补充,并作出了相应的形态学复原,提出了不少具有“首次性”的结论.
重新厘定前人的研究,需要有勇气,也需要有眼力.前些年,国际著名早期生命研究专家Andrey Yu.Zhurlev等人报道了发现于西伯利亚的一类管状化石,并将之定性为高家山虫.华洪和课题组在研究中发现,这种管状化石其实与高家山虫存在形态、结构上的差异,他们根据高家山生物群中的实证化石材料进行了详细的对比,否定了Zhurlev等人的报道,重新定义为Shaanxilithes (陕西迹).华洪确定,陕西迹可能是一类特殊的实体管状化石,与C l o u d i n a 一样,它具有十分稳定的地史分布,可能成为新元古代末期另一个重要的标准化石.
说到这里,就要提一下C l o u d i n a了.它是新元古代末期全球广泛分布的一类锥管状化石,目前已经成为埃迪卡拉纪地层划分和对比的重要标准化石之一.国外学者们曾认为,C l o u d i n a 生活在叠层石发育的浅水碳酸盐岩环境中并且极有可能就用管体的封闭端固着生活在叠层石表面或者叠层石内部.但华洪课题组通过对华南埃迪卡拉系灯影组碳酸盐岩地层中的C l o u d i n a 化石材料研究发现,这里的Cloudina 至少有3种固定生活方式：管体封闭端固着到发育微生物席的碳酸盐岩基底上；部分管体埋在基底中生活；部分管体平躺在基底上+部分管体直立伸入水体中生长.相关成果2014年发表在Gondwana Research上.
“我们在研究过程中,对于早期骨骼化提出一个认识：由于当时捕食压力的增加,以及其他动物的出现,导致这些生物要分泌骨骼来抵御外界入侵.2003年,我们在国际著名刊物PALAIOS上发表了一篇文章来论述这个观点,已经有了一定的研究.”在高家山生物群研究上,华洪考虑的其实不只是骨骼化,还有化石埋藏.
在大量的野外工作积累下,他和队友们找到了风化微弱的化石样品,在无数次样品加工和测试之后,终于发现高家山生物群中以“黄铁矿化”“有机炭质压膜”和“粘土矿物交代”这3个端元为主的混合型化石保存方式.进一步分析后,他们认为,高家山的化石保存方式与显生宙(尤其是寒武纪)以及部分前寒武纪细粒碎屑岩相化石生物群的保存具有很大的相似性.而高家山实证材料则表明,类似的保存方式可能广泛存在于各个地史时期的细粒碎屑岩相中.这为前寒武纪特异埋藏化石生物群的埋藏学机制的研究以及启示寻找新的潜在特异埋藏化石库提供了重要依据.
“我清楚地记得,在十几年前,我们做的高家山生物群研究材料甚至连准备一篇硕士论文都不够.而现在,在这个领域都已经毕业了好几个博士了,相关研究成果已有20余篇在国际知名学术刊物上发表.”华洪感慨道,“只要下了功夫努力去做,总有一些新的发现,不断改变你以前的认识.”在他看来,做工作一定要坚持.高家山生物群,在他十几年的坚持下,已经成为了一种情怀.“一定要有一双能够发现的眼睛,然后要踏踏实实地去做.如果当年在那种窘迫的境况下就放弃了,不可能有后来几个基金的支持.”
事实上,就在2015年的夏天,他又在高家山生物群中发现了几个新的化石类型.没有坚持,就没有发现.华洪坚定地相信这一点.
化石埋藏中的
过了多少亿年,
地质勘察队员
在岩层里发现你,
依然栩栩如生.
但你是沉默的,
连叹息也没有,
鳞和鳍都完整,
却不能动弹.
——鱼化石
“化石埋藏”是华洪科研上的“另一条腿”.“从现代生物模拟来反推这些生物是如何形成化石的.”华洪的该项研究起步于前两年,在2016年年底,他负责的国家自然科学基金项目“动物胚胎的实验埋藏研究”就将结题.以目前的进展来看,他在武昌鱼胚胎的磷酸盐化及硅酸盐化实验和虾卵的实验埋藏研究上颇有心得.
磷酸盐化实验表明在不同环境条件下武昌鱼卵形态差异显著.比如：在微生物条件下,鱼卵通常具有完整的外壳和完整的核部；富氧条件下,鱼卵外壳多保存下来,并展现出大致的轮廓,但核部消失；在酸性条件下,核部保存下来,但外壳消失.而在硅酸盐溶液浸泡的实验中,胚胎的卵膜跟核部不仅外部形态各异,其大小变化相差也非常大.根据这些现象,华洪和他的队友提出了一系列推论,不仅对磷酸盐化和硅化的胚胎化石的研究鉴定提供了有益参考,也为其成因的探索提供线索和新的思路.
同样的,在2015年的《微体古生物学报》上发表了华洪课题组的成果.这一次是虾卵的实验埋藏研究进展.当他们把虾的休眠卵,分别在不同水介质条件（普通海水、淡水、高浓度磷酸盐溶液、硅酸盐溶液）下进行腐解及矿化的实验后,对虾卵在不同环境下的保存能力、虾卵在不同发育阶段的保存能力有了充分的了解,为磷酸盐化胚胎化石的解释提供重要参考.
“早期胚胎研究特别热门,学界在华南埃迪卡拉纪陡山沱里发现了好多胚胎化石,但到底是植物还是动物,一直都没有定论.”华洪就是在这样的背景下作出了这样的设定——以现在的胚胎模拟当时形成化石的过程,看看在形成化石的过程中会出现哪些变化.一个灵感催生了一系列的研究,而他就是一位探秘者.
手记：从容淡定才是真
前文讲到华洪随老师去天山考察.如果不是记者后来又追问了一声,他恐怕根本不会讲到期间遭遇过一次险情.
“我们把帐篷搭在河漫滩上,原本应该是安全的.没想到一场暴雨把旧河道冲开了,我们和车被围到了河道中间.水很大,大概一张桌子大小的石头在河道里翻滚,我们怎么也过不去.”那一次,他们差点弹尽粮绝,要喝水,可水里都是泥沙,沉淀上一两天也只有上面的一点能喝,7个人靠着半袋面撑了一个礼拜,直到水停了,托克逊的维族人给他们开路,他们才有机会走出去.
“出了沟以后,车弄不出来就回不到县城.我们知道隔壁沟里有一个地质队,课题组的一个同学骑了一天的毛驴去求援,人家来了车,才把我们拉走.”过去的很多年,每年暑假,他都会有个把月“跑野外”,这种惊险的局面纵然不常见,其他小状况也有不少.时过境迁,到他口中,只剩下一句,“那也是很值得回味的”.
他总是很淡定.2014年,华洪和南古所合作的蓝田生物群研究获得江苏省科技一等奖.“以南古所为主,我是个配角.”华洪说.在“报奖”这回事上,华洪向来不主动,因为“申请挺麻烦的,顾不上.”理由令人莞尔.
现在的华洪,是主管教学的副院长,精力也发生了转移.“交流很重要,就算我不像以前那么频繁参加学术会议,也会鼓励学生去参加.”他是西北大学地质系第一个自己掏钱送博士生去国外进修和参加学术会议的教师,千方百计创造交流机会.
2001年底,华洪自加拿大归来,就产生了一个想法——办一个青年教师沙龙,让大家有机会交流在国外学习和工作的感受,让大家开阔眼界,吸收新鲜事物.“之前因为S A R S中断了,十年以后终于又完成了我的夙愿.”从不定期到每两周一次,甚至一周一次,地质系的沙龙越办越红火,华洪但凡有时间都会去沙龙上转转,看到活跃的气氛,他就倍感欣慰.
他相信“寓教于研、以研促教、研教融贯、教研相长”才是王道,一心想要拆除学校和社会之间的墙、教学和科研之间的墙、各学院各专业之间的墙,以及教与学之间的墙,将教学做成最大的事业.
“其实我在指导学生的过程中也收获不少.曾经,有个学生提出了很多问题：黄铁矿化化石为什么经常出现,但黄铁矿化软躯体化石为何如此稀少？为什么同一类化石有多种不同保存方式……这些问题给了我灵感,结合研究方向,我就提出了一个本科生创新基金‘高家山生物群埋藏学研究’,随着研究的深入在此基础上我获得了国家自然科学基金的资助.”每每提到这些学生,他都很自豪,反而戏称自己已经“退居二线”,学生才是未来科研的主力.尤其当学生获得全国百篇优秀博士论文提名,申请到基金支持,他总是比他们更高兴.
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