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【科学时报】探究亿万年前的生命奥秘
——记中国科学院古脊椎动物与古人类研究所辽西课题组
媒体:科学时报 日期:2010-10-11 作者:张其瑶

虽然经常在野外工作,但坐在记者面前的4位学者脸上并没有多少风霜的痕迹。他们是中国科学院古脊椎动物与古人类研究所“辽西热河脊椎动物群课题组”的部分主要成员——周忠和、徐星、王原、张江永。不久前刚刚获得首届中国科学院杰出科技成就奖的这个课题组是一个以三四十岁的中青年学者为主体的学术群体,以“辽西队”之称在同行中享有盛誉。

中国科学院古脊椎与古人类研究所是一个专门研究古脊椎动物学的研究所。为一个研究方向专门设立一个研究所是不多见的。而这个所的研究人员也不辱使命,屡创佳绩。“辽西队”就是该所近年来涌现出的在古脊椎动物学领域取得重大进展和突破的优秀学术群体。

为生命演化树添绿

提起远古时代的动物,首先令人想到的就是恐龙,无论是专业学者还是普通群众,对这种曾经的“地球霸主”的兴趣都无穷无尽,《侏罗纪公园》是这种兴趣的最好佐证,它大胆幻想了一个恐龙复活的故事。但是如果有人告诉你,恐龙从未消失过,它一直就在你身边,你会不会以为自己听错了?没错,“鸟类源于恐龙”是近几十年来渐渐被科学家们默认的一种学术观点,而“辽西队”的研究为这种假说提供了强有力的证据。

“辽西队”对热河生物群的研究历史可追溯到16年前。1988年,还是硕士研究生的周忠和对辽宁北票的鱼类化石进行了研究,1990年,由该所低等脊椎动物研究室的金帆带队,包括年轻的鱼类学家张江永和周忠和等组成了最初的辽西课题组,开始了在辽西阜新和朝阳地区的野外工作,重点研究中生代鱼群和相关地层。早期的辽西队工作十分艰苦,经费短缺,进行考察只能徒步或雇用驴车、马车。

1990年9月,周忠和在辽宁朝阳波罗赤镇九佛堂组露出的早白垩世页岩中偶然发现了堪称当时白垩纪最完整的鸟类化石之一的华夏鸟,随后这一地点又陆续发现了几十件鸟类标本,从此引起国际古鸟类学界的高度重视。随着研究的深入,他们发现化石的门类也不断丰富。到1998年课题组的研究内容由最初的中生代鱼类和地层逐步扩大,形成了今天的“辽西队”,成员也逐年增加,骨干年龄大多在30到40岁之间。

课题组长周忠和1999年获美国Kansas大学古鸟类学博士学位,同年作为“百人计划”回国。最近5年,在鸟类早期演化研究方面,他和同事一起,命名发表了8种新的早期鸟类。他依据热河鸟与驰龙类相似的长尾的特征,首次从鸟类化石的角度提出了支持鸟类起源于恐龙学说的证据。在他和同事的努力下,我国发现的古鸟类化石在种类和数量方面都已经远远超过了世界上其他国家同期鸟类化石之总和。2003年他和两位英国同行一起在Nature上发表了有关热河生物群研究进展的长篇综述,认为国外学者提出的“孑遗生物避难所”的假说不能很好地解释热河生物群的特征,从而首次提出了热河生物群的分布地区可能是许多重要生物类群进化的摇篮和扩散中心的假说。

近5年作为第一作者在Nature上发表了8篇论文的徐星研究员是课题组中最被公众熟知的一位,他在带毛恐龙的研究、鸟类的起源、恐龙的习性、飞行的起源以及羽毛起源过程等学术问题上,提出了一些大胆创新的思想。鸟类起源的研究是近年来国际古生物学研究的一个热点

。徐星等人发现的许多带毛恐龙为鸟类起源于恐龙的假说提供了进一步确凿的证据。在羽毛起源方面,他和同事在研究了中国鸟龙原始羽毛的基础上首次提出了鸟类羽毛演化的四个阶段的假说,并且指出羽毛的最早出现和鸟类的飞行没有直接关系,从而对传统的羽毛飞行起源假说提出了挑战。

热河生物群地层和时代研究上取得的重要进展离不开汪筱林和金帆、王元青等人长期艰苦的野外科学考察工作。一看到化石就能大致知道化石的产地和层位是汪筱林的“绝活”。他重点从事地层学、翼龙及环境等方面的研究,1999年以来,他组织并参加了几乎所有辽西的大型野外科考和化石发掘工作,每年在野外工作时间都超过3个月。他与同事通过与国内外同位素实验室的多次合作,不仅对辽西含鸟类和恐龙类化石的地层进行了详细的研究,而且还首次利用40Ar/30Ar等方法,精确测定热河群义县组以及下伏土城子组的精确年代,从而确立了热河生物群的时代为早白垩世。热河生物群的地层时代问题不仅关系到这一地区的鸟类、带毛恐龙、原始哺乳动物的起源和系统发育的研究,而且对于解决我国陆相侏罗—白垩纪的界线这一重大地质学问题具有关键意义。因此,汪筱林等人的有关地层测年的观点在Nature等刊物上发表后,为国内外学者广泛引用。最近两年,他在热河生物群的翼龙研究方面取得了显著的成果,不仅揭示了早白垩世最重要的翼龙动物组合,而且对翼龙的世界性对比研究也有力地支持了同位素年代测定的结论。

周忠和的古鸟类学研究搭档张福成在近年的工作中发现了一种原始的羽毛结构,2000年在Science发表后,在同行中引起不少反响。2001年他还发表了一种具有树栖能力的恐龙——树息龙,该化石的产出年代比小盗龙要早,这个发现对鸟类飞行的树栖起源假说提供了新的重要证据。

王元青、胡耀明曾以第一作者分别在Nature和Science上发表过有关中生代哺乳动物的重要论文。他们对我国辽西第一件几乎完整的哺乳动物骨架张和兽以及后来发现的中生代最大的哺乳动物爬兽等化石的研究,是近年来该研究领域最重要的成果之一。此外,他们研究的多瘤齿兽类和戈壁兽等化石,还为热河生物群属早白垩世的观点,提供了哺乳动物学的重要证据。

主要从事两栖类研究的王原对辽西重要两栖类化石的研究为探讨滑体两栖类的起源和早期演化提供了重要资料。他与同行研究命名的三燕丽蟾是我国已知最早的古蛙,这一研究和带毛恐龙的发现一起入选“1999年中国基础科学研究十大新闻”。

辽西课题组最早的负责人金帆从20世纪80年代初开始便一直潜心研究中生代鱼类和生物地层问题,近年来,他专心研究鲟鱼的系统发育。

张江永研究的狼鳍鱼类是热河生物群中发现并研究得最早的脊椎动物,也是我国最原始的真骨鱼类,是热河生物群的最主要分子之一。

“辽西队”的研究领域涉及带羽毛恐龙等爬行类、鸟类、原始哺乳类和两栖类动物等,他们从1998年至2003年,发表近100篇论文,其中有51篇发表在SCI刊物,19篇发表在Nature和Science上。另外还发表学术专著/编著4部。他们的学术观点和有关学术活动在国际上引起高度重视,Nature和Science多次对他们的成果进行专文介绍和评述。

“不能盲目跟着主流观点走”

当代的古生物学研究是集地层学、古生物学和现代生物学于一体的交叉学科综合研究。“辽西队”成员大多在国外留学或进修过,有着不同的专业背景。其中,有人在大学就学习古生物专业,有人是学习现代生物学的,还有人是学习地质学或沉积学专业的,不同的专业背景构成,为这一集体开展古生物这门交叉学科的研究提供了便利条件。“同样的材料不同研究方向的人有不同的想法,互相启发。可能研究鱼的看到一个恐龙化石会提出一个大胆的说法。”周忠和说。

在鸟类飞行起源研究方面,国际学术界存在两种主要观点:一是在鸟类恐龙起源说前提下的地栖起源说;另一类是鸟类非恐龙起源的树栖起源说。徐星与周忠和、张福成、汪筱林等人独树一帜,通过对恐龙脚的功能形态学和生活习性的研究,不仅首次提供了树栖恐龙的化石证据,而且在鸟类起源于恐龙学说的基础上提出了支持鸟类飞行树栖起源学说的重要证据。敢于挑战权威,敢于大胆提出自己的观点是“辽西队”成功的重要原因。

古生物研究是与化石发现相关的一个学科,材料很重要。化石不会说话,同样的化石不同人的解释会有差别。化石发现后,可以把别人臆测的、很初步的一些想法细化、模式化,使之更加深入。把它变成真正科学的假说。“做科研要关注学科方向关键的点在哪里,科研热点是我们时刻关注的东西,做论文可以八股地做,但换个角度想问题就会不同。”周忠和说,“从大的方面来讲,做科研不可能空穴来风,突发异想,因为我们一直在讨论这些问题,头脑更开放一点,愿意想各种可能性,把各种可能性、所有证据结合起来分析哪些证据可能对演化更有意义,把各个点联系得更好一些,这是我们那篇文章成功的地方。”

2000年,徐星等发现某些恐龙具有树栖动物的特征,鸟类的恐龙祖先可能在树栖生活当中,借助了重力,逐步通过降落、滑翔等阶段,最终掌握强大的拍打式飞行能力。通过深入研究中国辽西早白垩世的恐龙化石上的皮肤结构,确信这些恐龙具有初步飞行能力。他们在这些恐龙身上发现了羽片不对称的飞羽,这种结构一般被认为和飞行是相关的。最为奇特的是,他们发现这些恐龙不仅前肢羽化为翼,其后肢也羽化为翼,即这些恐龙长着四个翅膀,很可能具有滑翔能力。这为鸟类飞行起源于树栖动物,经历了一个滑翔阶段的假说提供了关键性证据。2003年1月,Nature发表了徐星、周忠和等人的论文。美国学者就此评论说,这一工作的意义不仅仅在于鸟类飞行起源,更重要的是由于这一发现,“古生物学家们必须重新评价一些经典性的工作”。

其实,在徐星等人的论文发表之前,别的研究者已经发表了两篇关于四翼恐龙的论文,中心内容是再次证明了现代形态的羽毛不光局限在鸟类身上,恐龙身上也有,为“羽毛出现在鸟类之前”这个假说提供了更多的证据。当然这也有它的价值,“但如果再说一遍就不一定行了。”在谈到关于四翼恐龙的研究时徐星说,做事很容易形成模式,搞科研过程中可能思维慢慢陷入主流模式当中,会考虑前面科学家有什么观点,潜移默化地看问题的角度会受主流模式的影响,大多数人很难摆脱这种东西。但实际上做创新最大的就是突破自己思维上的定式,“要做得好一些就要时刻提醒自己摆脱这种模式”。

和徐星一样,周忠和也认为“对材料的解释不能(盲目)跟着主流观点走”。曾经在国内外引起轩然大波的“古盗鸟”尾巴的另一半和一种小型兽脚类恐龙相关,经徐星、周忠和及汪筱林研究,被命名为赵氏小盗龙,是目前已知最小的、形态上最接近鸟类的恐龙。从后足的功能形态上分析,它具有明显的树栖特征,鸟的后足形态创新性地应用到飞行起源当中,改变了人们脑海中长期以来形成的小型兽脚类恐龙都是在地面快速奔跑的观点,为鸟类恐龙起源说及飞行树栖起源说提供了有利证据。这一重要研究结果首次在理论上将鸟类起源于恐龙的假说和鸟类飞行的树栖假说有机地联系起来,为鸟类的起源描绘了新的图景,也引起了国内外同行的广泛关注和激烈争论。“化石研究套用主流观点也可以发表论文,但你也应从另外的角度解释它,提出自己的想法。”周忠和说。

一位院士曾说,科学重在怀疑,道德重在信仰。张江永认为这句话对创新思维的产生非常重要。他说,要对一个科学命题产生怀疑,向传统的、经典的、被认为是真理的东西进行挑战,必须有新的证据。化石在这里,你说的话人家就信。“但光有化石也不行,”他说,“我们所这批人拥有雄厚的基础知识,对存在的问题很熟悉,一是刚好有证据,再是对本门领域非常熟悉,这样很容易激发新的思想。”

机遇偏爱创新者

热河生物群是“辽西队”的研究重点。热河曾是中国行政区划中的一个省,作为一个地理名词,它已走入历史,但却因“热河生物群”之名在古生物学研究领域声名显赫。热河生物群是指距今一亿多年的白垩纪早期在我国北方、蒙古、西伯利亚以及朝鲜和日本等地生活的古老生物群。1928年,美国著名地质古生物学家葛利普教授出版了一部科学著作——《中国地质史》。在这部书里,他第一次提出了“热河生物群”这一名词,用来代表分布于东亚狼鳍鱼岩系的综合化石群。“热河”之称得名于化石群的经典产地,即当时的热河省东部地区,中华人民共和国成立以后,该省被撤消,这一地区被划归辽宁省,热河生物群的经典产地因此落在了辽宁省西部。

可以说,正是由于辽西这座化石宝库才聚集了“辽西队”这样一支优秀的科研队伍。上世纪90年代初,金帆、张江永和周忠和最初到辽西是为了研究鱼化石。随着大量不同种类化石的出现,更多的研究者加入其中。“由于共同的兴趣,讨论交流中自然形成团队。另一方面,大家都有不同的研究方向,过去可能去不同的地方,很分散。辽西的化石涵盖了我们研究的所有门类,把大家聚集在一起。”回忆起“辽西队”的形成,周忠和这样说。

如果说化石的出现是天赐良机的话,中国科学院知识创新工程的实施更为他们提供了难得的机遇。1997年他们的研究被列入中科院“九五”重大项目,获得40万元经费。在记者面前的几位学者一致承认这笔经费作用很大,“可以出去发掘了”。此后,国家自然科学基金委员会、科技部等均给他们提供了很大的经费支持。

在张弥曼院士和王原共同撰写的《中国古生物学研究的回顾与展望》曾这样评论:近来新发现的剧增,在很大程度上是因为国家大幅度地增加了对古生物学研究的支持力度。由于科技部、教育部、自然科学基金委和中科院及时地注意到我国古生物学研究得天独厚的条件和近期有重大突破的可能,并抓住时机采取了有效的措施,也使我国一代青年古生物学家脱颖而出,使我们在古生物学领域中迅速地、顺利地越过了“文化大革命”所造成的人才断层。

“得天独厚的化石、一群喜欢它的人,国家愿意投入研究经费,技术力量都很齐全,后

勤、技术保障都跟得上,有了好的设备,标本修复快,研究效率大大提高,发表文章也快了起来。国际上研究古生物的‘硬件比我们强的不多’。”周忠和对此很自豪。

古脊椎所为“辽西队”的成功提供了宽松的学术气氛,古哺乳动物学家李传夔、古鸟类学家侯连海、恐龙学家董枝明等一群热爱专业踏踏实实做学问的老前辈为他们铺路搭桥、甘当人梯,尤其是张弥曼院士被知情人称为“辽西队”的精神支柱,数年来她对“辽西队”的工作一直抱有浓厚兴趣,并表态,只帮忙,一不要研究材料,二不要奖,三不要靠这出国。她亲自主编的热河生物群中、英文两本图册倾注了她大量心血。

前辈学者的身体力行使他们受益匪浅,“辽西队”不仅成果卓著,而且还称得上是最勤奋的

科研团队之一。每天晚上,在古脊椎所灯火辉煌的办公楼里,总会看到许多“辽西队”成员的身影,“熬到夜里12点才回家的人每天都有,忙时不回家常事”。“因为喜欢,有一种力量把大家聚在一起,在一起加班,在一起吃饭,跟一家人一样。”徐星说。

“辽西队”的工作不仅改变了我们对许多重大生物学理论问题的固有认识,加强了我国在这一国际前沿领域的领先地位。因为其重大的进化生物学意义,也在国内外公众中引起了广泛的关注。未来他们还能取得现在这样的成果吗?“辽西的研究空间依然很大。”周忠和说。

单位:科学时报社

刊登:《科学时报》2004年4月21日

 
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