2月1日，植物學(xué)國際頂級期刊《自然-植物（Nature Plants）》以封面論文形式報道了我校海洋學(xué)院王碩教授團隊的最新研究成果——在一億年前的琥珀化石中發(fā)現(xiàn)了最古老的完整花朵，并在現(xiàn)在的南非開普地區(qū)找到了這種花的現(xiàn)存后裔。這些曾經(jīng)在恐龍腳下綻放過的小花，填補了億年前現(xiàn)存開花植物缺失的空白，一定程度上回答了爭論160多年的國際謎題。
抱著“金磚”去敲門
王碩畢業(yè)于昆明理工大學(xué)，碩博連讀期間跟隨導(dǎo)師在中國科學(xué)院昆明植物研究所進行課題的開展與研究，也正是在那里，王碩與師兄施超相遇。
“我當(dāng)時在做DNA檢測方面的課題，剛好王碩分配在了我這個組，一次很偶然的機會我們談?wù)撈痃辏瑳]想到一拍即合，決定試試從琥珀中提取DNA。”施超回憶道，2011年，志同道合的他們迅即展開了這方面的研究，然而讓他們沒想到的是，由于內(nèi)含物極其微量，不足以區(qū)分提取的DNA是內(nèi)含物本身的還是外界的，所以將基因組學(xué)的種種技術(shù)手段運用在琥珀化石標(biāo)本上進行的各種實驗，均以失敗告終。但即便前路艱辛，對他們來說，選擇這條大多數(shù)人并不看好的路，是出于科研工作者敏銳的好奇心和強烈的責(zé)任感，王碩常說：“我們只是在生命進化海岸上拾貝的孩子，能研究這些珍貴的化石是我的榮幸。”據(jù)施超介紹，琥珀的形成需要經(jīng)歷復(fù)雜的理化性質(zhì)變化，除了產(chǎn)出樹脂的植物種類不同，還與產(chǎn)地的地質(zhì)條件和形成年代等不可控因素密切相關(guān)。其中，科學(xué)家通過對出產(chǎn)緬甸琥珀的地層進行鋯石的年齡測算發(fā)現(xiàn)，緬甸琥珀至少形成于約9900萬年前，那時地球尚處于白堊紀(jì)中期，大型恐龍還可以在地球上閑庭信步，新生的哺乳類動物尚處于演化的初級階段。這一時期，被子植物開始繁盛并創(chuàng)造了大量新的生態(tài)位，與被子植物密切相關(guān)的其他生物也進入快速演化期，各種生物的發(fā)展奠定了現(xiàn)生生態(tài)環(huán)境的原始雛形。和普通化石不同，琥珀化石最大的優(yōu)勢在于能保留植物、昆蟲的表面細節(jié)和內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)，幫助科學(xué)家揭開世界上億年前古老的秘密。看著面前的琥珀，他們想揭開琥珀背后的故事。“近十年前，我從琥珀化石中注意到這種植物標(biāo)本，并開始在中科院昆明植物所和北京植物所向分類學(xué)前輩請教學(xué)習(xí)。”王碩說。
從那時起，他們就開啟了抱著“金磚”去敲門的日子，二人不斷向業(yè)內(nèi)專家請教。當(dāng)時是基因組學(xué)正火的時候，人們往往更多看到琥珀的藝術(shù)價值和商業(yè)價值，極少注意到琥珀的科研價值。但他們從未放棄，2016年王碩曾在《科學(xué)》雜志發(fā)表文章，呼吁科學(xué)家們關(guān)注琥珀的科研價值。慢慢地，他們的研究被學(xué)術(shù)界了解，在2017年第19屆國際植物學(xué)大會上，國外的會議組織者經(jīng)過多次輾轉(zhuǎn)聯(lián)系到王碩，邀請她到深圳做琥珀相關(guān)研究匯報。在會上，王碩展示了許多琥珀標(biāo)本照片，領(lǐng)域內(nèi)許多學(xué)術(shù)大咖都在現(xiàn)場。 Else Maria Friis院士驚呼“我一生所見過的化石總和都不如你PPT里展示的多”。會后同行們互相交流碰撞，許多專家現(xiàn)在依舊與王碩團隊保持著良好的合作關(guān)系。
隨著緬甸琥珀形成年代的確定，琥珀內(nèi)含物的科研價值很快得到古生物學(xué)界的認(rèn)可和重視，越來越多的古生物學(xué)者開始著重研究緬甸琥珀。隨著科研工作的不斷推進，9900萬年前遠古時代生物多樣性的神秘面紗正在被科學(xué)家們慢慢揭開，這個超越時空的史前世界輪廓，正在逐漸清晰起來。
讓“啞巴證人”開口說話
在已知的琥珀類群中，緬甸琥珀形成于約1億年前。這些琥珀里大概有1%的比例包含有化石內(nèi)含物，這1%中又有九成以上是昆蟲，只有不到一成是植物。“還有許多未知的植物需要我們進一步去揭示。”施超說。目前王碩所在團隊的主要精力，放在了數(shù)量最少也最難解析的植物琥珀化石上。本研究所用的21塊琥珀中的24個標(biāo)本包含了該植物的莖、葉、花（含子房）、果實（含種子）和花粉，并完整復(fù)原了該植物從幼年到成熟的生長發(fā)育全過程，是迄今為止國際上最完整的植物化石研究。
讓這些“啞巴證人”開口說話并不是一件簡單的事，讓王碩夫婦沒想到的是，這個研究一搞就將近8年。2014年春天，他們帶著40多塊琥珀化石來到昆明植物所進行形態(tài)學(xué)鑒定，但有部分化石保存狀態(tài)不夠好，在后來的CT掃描中得不到清晰的三維結(jié)構(gòu)，最終確定了21塊琥珀化石模式標(biāo)本。“一開始也沒想到這個研究需要這么長的時間，但是隨著研究的不斷推進，我們發(fā)現(xiàn)這些琥珀中保存下來的植物標(biāo)本，遠比想象的更有價值。”王碩說，不論是微距拍攝設(shè)備的定制升級還是材料標(biāo)本的鑒定，研究的各個方面都走過很多彎路，一切看似簡單卻并不容易。要做琥珀的研究，就需要掃描其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，當(dāng)時王碩帶著學(xué)生輾轉(zhuǎn)青島、濟南、南京、蘇州、上海，借助不同的設(shè)備掃描獲取琥珀的內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。由于需要不斷調(diào)整實驗參數(shù)和位置，那段時間他們吃住在實驗室，迫切等待著實驗數(shù)據(jù)。功夫不負有心人，數(shù)據(jù)結(jié)果證明琥珀中的標(biāo)本與現(xiàn)生植物結(jié)構(gòu)非常吻合。研究人員在南非的開普植物區(qū)找到了與琥珀化石里植物形態(tài)特征幾乎一致的現(xiàn)存植物類群。王碩介紹，該類群來自鼠李科Phylica屬，是生長于開普地區(qū)的瀕危植物。“有一年多的時間，我們都在思考為什么緬甸琥珀化石中植物樣本的現(xiàn)存后裔存活在非洲，大家查了大量的資料，提出了許多設(shè)想，但又一一被自己推翻，最后從地質(zhì)學(xué)家關(guān)于板塊遷移的研究中，我們獲得了極大地啟發(fā)。”施超說，他們認(rèn)為，本研究中的琥珀化石在印度板塊與岡瓦納古陸帶尚未完全分離前（約一億年前）即已形成，隨著岡瓦納古陸的解體和印度板塊的北移，一部分“祖先Phylica”被樹脂包裹并被不斷運動的板塊帶到了緬甸北部，而另一部分被留在了非洲大陸的最南端并繁衍綻放至今。“該屬植物可能在南非開普植物區(qū)生存繁衍了約1億年，從恐龍繁盛的中生代開始，一直綻放至今。” 王碩說，“起源于新生代以前的裸子植物，像銀杏、水杉等被學(xué)術(shù)界稱為‘活化石’。1億年前的Phylica至今在形態(tài)上幾乎沒有發(fā)生任何改變，甚至可以稱其為‘中生代被子植物活化石’。”
團隊還結(jié)合了昆蟲的相關(guān)研究，以及分泌形成這些琥珀的樹脂的植物也分布在南半球等證據(jù)，在《自然-植物（Nature Plants）》上發(fā)表了11頁的文章，篇幅將近該期刊其他文章的兩倍，并附有71頁的附錄，包括每一塊琥珀化石的詳細數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)每一處細節(jié)，打消大家的質(zhì)疑。他們將該植物類群的起源從三四千萬年前一下子推進到了一億年前，這些珍貴的化石標(biāo)本作為進化生物學(xué)研究的“硬證據(jù)”，為板塊運動學(xué)說提供了重要的化石證據(jù)。
穿越古今的“活化石”
雖然今天看到的銀杏、蘇鐵同樣生長在恐龍時代，但Phylica Piloburmensis是已知第一種中生代開花植物“活化石”。它們可能成為解開達爾文“討厭之謎”的“金鑰匙”。 被子植物又稱開花植物，是現(xiàn)代陸地生態(tài)環(huán)境的基石，更是人類文明延續(xù)和發(fā)展的重要基礎(chǔ)。目前已知最古老的被子植物發(fā)現(xiàn)于中生代，但在距今一億多年前的白堊紀(jì)地層中忽然大量出現(xiàn)，卻沒有發(fā)現(xiàn)更早地質(zhì)時期的祖先譜系證據(jù)，它的起源與演化過程一直是古生物學(xué)和分子系統(tǒng)學(xué)中重要的科學(xué)問題。這個問題也讓達爾文感到十分疑惑，達爾文在1879年寫給植物學(xué)家約瑟夫·胡克的一封私人信件中，將其描述為“討厭之謎”。
“南非是地球生物多樣性中心之一，那里擁有9000多個植物物種，其中90%處于瀕危狀態(tài)，這些植物在其他地方?jīng)]有分布，所以從生物進化的角度來說，南非是獨特且古怪的區(qū)域。這次的發(fā)現(xiàn)也在一定程度上解開了大家的困惑。”施超說，此次研究通過基因進化進行推演，鼠李科的出現(xiàn)可能要比一億一千萬年還要早上若干千萬年。這將被子植物的出現(xiàn)時期向前推進了，完全出乎古植物學(xué)家的預(yù)料。“干旱炎熱環(huán)境的南非經(jīng)常出現(xiàn)野火，一億年前大氣氧含量高約30%，加上當(dāng)時地質(zhì)活動頻繁，更容易導(dǎo)致火災(zāi)，我們從琥珀化石中發(fā)現(xiàn)了被火燒過的植物殘骸，佐證了在白堊紀(jì)中期頻繁發(fā)生的火災(zāi)，這也與地質(zhì)研究的相關(guān)論文觀點吻合。”施超說，該研究發(fā)現(xiàn)的植物化石也表現(xiàn)出對頻繁野火的高度適應(yīng)性，如細長且緊緊聚縮在一起的葉片、被葉片緊緊裹護著的花朵、表面密實的毛被等。這些跡象均表明，被子植物對環(huán)境的強適應(yīng)性可能是其快速輻射演化的一個原因。“鼠李科是適火性植物，花朵進化出了一種適應(yīng)環(huán)境的形態(tài)，并產(chǎn)生了能夠進入被燒毀的土地表面的種子。”王碩說，因此，針對“討厭之謎”，研究團隊提出一個觀點：白堊紀(jì)中期頻繁發(fā)生的火災(zāi)可能是被子植物演化的一個重要驅(qū)動力，被子植物在早期演化中就對環(huán)境有很強的適應(yīng)性，也許是其至今仍如此繁盛的秘密。“緬甸琥珀古老的形成年代，以及內(nèi)含被子植物的豐富程度，或許正是能夠解開這個困擾了人類幾個世紀(jì)的謎題的鑰匙，而這還需要科學(xué)家們持續(xù)大量地研究來發(fā)現(xiàn)與證實。”王碩說。
時至今日，琥珀“活化石”也舊貌換新顏。2018年王碩來到學(xué)校，成立進化生態(tài)學(xué)實驗室。“學(xué)校被譽為橡膠工業(yè)的‘黃埔軍校’，走政產(chǎn)學(xué)研融合之路，從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用研究再到培育上市公司，這條道路我們也可以學(xué)習(xí)效仿。”王碩說，她受到了“青科大模式”的啟發(fā)，團隊在基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)上不斷拓展產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，讓琥珀“舊貌換新顏”。因為琥珀具有絕熱的性質(zhì)，他們將琥珀碎料打成粉，再經(jīng)過高溫高壓重塑工藝，將這些“活化石”變成可以在日常生活中使用的器皿，王碩主持的“撫順煤礦固廢中琥珀顆粒再利用制作與食品相關(guān)器皿關(guān)鍵技術(shù)”和“一種琥珀包裝罐高效生產(chǎn)裝置”分別于2020年和2021年獲得遼寧省輕工行業(yè)科技進步獎一等獎。施超說：“我們一直有一個建造琥珀博物館的夢想，打造集科研、教育、科普、收藏、保護、展示和文化傳播于一體的一流國際合作平臺，目前也正在讓這個夢想成為現(xiàn)實。琥珀是中華文化遺產(chǎn)的一部分，我們的祖先曾留下大量歌詠琥珀的詩詞，以及解讀其藥用價值的典籍。希望能通過我們這一代人的努力，再續(xù)中華民族的琥珀情緣，不但深入解讀其科研價值，還用最新的技術(shù)手段為琥珀重新賦能，讓琥珀走進尋常百姓家，也重新詮釋‘玉碗盛來琥珀光’。”
琥珀是凝固的時光，瞬間的永恒，它熠熠生輝又若隱若現(xiàn)，是穿越億年的生命留言。“生物學(xué)的核心問題是探索生命是如何起源的，既然我們獲得了珍貴的化石材料，就要把它物盡其用，如果草草處理，對科學(xué)界可能是很大的損失，因為這些化石一旦錯過可能就錯過了幾千萬年。反之，一塊化石也可能將某一領(lǐng)域的研究進展推進許多，引起科學(xué)界的顫動。既然做了就要把它做好，這是我們一直秉承的信念。”王碩如是說道。
團隊介紹：
團隊主要研究方向為基于基因組學(xué)與琥珀化石兩個層面的進化生態(tài)學(xué)工作，其中包括昆蟲、植物以及真菌等部分生物類群的起源、演化以及相關(guān)的板塊漂移、生態(tài)適應(yīng)、氣候變化等問題。團隊現(xiàn)有成員12人，其中教授2人，博士研究生2人，碩士研究生8人，研究團隊以王碩和施超兩位教授領(lǐng)銜。
王碩畢業(yè)于昆明理工大學(xué)，施超畢業(yè)于中國科學(xué)院昆明植物研究所。兩位教授共在Nature Plants、PNAS、Current Biology、Molecular Plant、Gondwana Research、Frontiers in Plant Science、Scientific Reports、Frontiers in Genetics、BMC Genomics、Cretaceous Research、PLoS ONE、Palaeoworld、Mitochondrial DNA、Conservation Genetics Resources等刊物上發(fā)表論文70余篇，部分成果受到新華社、人民日報、CCTV中央廣播電視總臺、光明日報、環(huán)球時報等主流媒體報道。
實驗室收藏34700份以上包含化石內(nèi)含物的天然琥珀，為大英博物館常展量的32倍，美國自然歷史博物館常展量的269倍，按照我國標(biāo)準(zhǔn)足夠支撐93家二級博物館同時展出。雖然團隊建立僅3年，但是成果豐富，目前以青島科技大學(xué)作為第一單位發(fā)表SCI論文近50篇，并在Nature Ecology & Evolution雜志上發(fā)表關(guān)于反對禁止緬甸琥珀科研的觀點文章，得到了國際同行評審專家的高度評價，引起較大反響。
