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蔡晨阳:给昆虫写“家谱”

2021-02-22 11:09:59来源:科技日报

蔡晨阳:给昆虫写“家谱”

蔡晨阳在展示侏罗纪中期道虎沟生物群中的眼甲化石 本报记者 金凤摄

“全世界有那么多种的昆虫,它们分布在很多地方。我希望弄清楚的是,它们是如何与环境相处的?又是如何一步步演化的?我们又该如何利用这种演化规律来保护生物多样性?而保护生物多样性,也就是保护人类自身。”

中国科学院南京地质古生物研究所研究员

◎本报记者 金 凤

记者见到蔡晨阳时,这位中国科学院南京地质古生物研究所(以下简称南古所)研究员正在埋头捣鼓手中几个昆虫标本,丝毫没有察觉有人靠近。

前不久,蔡晨阳联合中国、捷克、英国的古生物学者,在1亿年前的缅甸琥珀中发现一种原始的萤火虫祖先。与现在多数萤火虫为求爱而发光不同,这种“老祖宗”级萤火虫发光,可能是为了防御和自保。相关研究成果已于今年1月发表在学术期刊《皇家学会会刊—生物辑》上。

今年33岁的蔡晨阳就像福尔摩斯一样,手拿放大镜“破译”一块块昆虫化石中蕴藏的“生命密码”。近年来,他联合中外研究者发现了侏罗纪中期葬甲虫是已知最古老的大自然“清道夫”;论证了早白垩世蘑菇的多样性,并将蘑菇的演化历史向前推了2500万年;此外,他们还找到了目前世界已知最早的澳洲蕈甲为苏铁传粉的证据。

“全世界有那么多种的昆虫,它们分布在很多地方。我希望弄清楚的是,它们是如何与环境相处的?又是如何一步步演化的?我们又该如何利用这种演化规律来保护生物多样性?而保护生物多样性,也就是保护人类自身。”蔡晨阳说。

靠耐心采到人生首块化石

走进蔡晨阳的办公室,顺手拿起一块石板,便会与昆虫不期而遇。这些“饱经沧桑”的碎片中,昆虫的样貌栩栩如生,让人觉得生命不曾远去。

蔡晨阳的科研之旅,是从找化石开始的。2010年,考取南古所的研究生后,蔡晨阳便利用大四的“尾巴”,跟着“准导师”、南古所研究员黄迪颖到野外采集化石。

那是蔡晨阳第一次接触真实的化石。在山东临沂、云南尚勇地区,他跟着黄迪颖,每天揣一把锤子,先将一整块页岩敲下来,再将其逐层劈开,看里面是否藏着化石。但大多数时候,他们会无功而返。每天重复着同样的动作,但蔡晨阳丝毫没觉得无聊,反而觉得很有趣。

“一般在同一个地点,我们一待就是几小时,但只要有耐心不放过每一块石头,总会有收获。”在临沂,蔡晨阳收获了人生的第一块化石。从那时起,他便知,做古昆虫演化研究,要有点吃苦精神,更要有耐心。

蔡晨阳所言非虚。有一次,他跟随黄迪颖赴辽宁省北票市附近的化石点进行野外考察。每天他们要先搭车到位于北票市的海丰村,再从村里步行40分钟爬到山上,路途颇为周折,但那次的收获颇丰,他们找到了侏罗纪中晚期的双翅、鞘翅目昆虫。事后证明,这批化石与分布于内蒙古的中侏罗世道虎沟生物群的生物种类面貌是一致的。

“蔡晨阳好学、能钻研,有研究潜力,而且执行力很强。”说起爱徒,黄迪颖满是赞美之词。

读研后,蔡晨阳很快便进入研究状态,然而入之愈深,其进愈难。

世界上有6.5万种32个亚科的隐翅虫,但中国可能只有20多个亚科,想要全面了解隐翅虫,就得放眼世界。后来,他得到美国菲尔德自然历史博物馆(以下简称博物馆)访问学者奖学金的资助,赴该馆研究。

“在博物馆里,我看到了大量的隐翅虫针插标本、玻片标本,借此我就能全面地了解隐翅虫的历史样貌。”蔡晨阳说,离开美国前,博物馆的一对研究员夫妇还慷慨地将自己收集的500G的研究文献一并拷贝给他。这让他受用至今。

随后,蔡晨阳又在哈佛大学恩斯特·迈尔基金的资助下多次赴美国、法国、瑞士和澳大利亚的博物馆和科研院所进行访问交流并开展合作研究,这为他后续的研究奠定了坚实的基础。

研究昆虫与环境的关系

“目前,我遇到的研究难点是,不仅要研究昆虫化石本身,而且要利用先进的实验技术和分析手段,研究昆虫与环境的关系,以揭示重要生态关系的早期起源和演化。”蔡晨阳说。

在发现澳洲蕈甲这种昆虫与苏铁相伴相生后,蔡晨阳更加笃定这一研究思路的正确。

苏铁这类古老而独特的裸子植物,在中生代极其繁盛,在中生代中晚期的陆地生态系统中占据主导地位。长期以来,人们对苏铁类植物传粉模式的起源和早期演化知之甚少,阐释苏铁传粉演化历史的直接化石证据也极其罕见。

蔡晨阳和同事发现,现生的澳洲蕈甲只分布在澳大利亚西南部,主要吃泽米科苏铁的花粉,并协助其传粉。更为有趣的是,他们还发现,生活在南非东南部的澳洲蕈甲也是非洲苏铁的主要传粉者。所以他们结合标本判断,在冈瓦纳大陆彻底裂解之前,即1.67亿年之前,澳洲蕈甲就在为苏铁传粉了。

蔡晨阳说,更重要的是,在显微镜下,研究团队还在这枚澳洲蕈甲琥珀标本中发现了许多微小的苏铁花粉簇。结合地球板块运动的历史,他们认为,澳洲蕈甲与苏铁之间传粉关系的建立不晚于侏罗纪早期,远早于被子植物及其传粉者的起源和兴盛时间。

“生物多样性是人类赖以生存和发展的基础,这项研究启发我们,在自然状态下的苏铁繁殖离不开澳洲蕈甲传粉,在保护珍稀物种——苏铁的同时,也要重视保护它的传粉者及其所处的生态环境,以此来保护生物多样性。”蔡晨阳说。

用分子系统学搭建“生命树”

眼下,蔡晨阳正专注于用分子系统学的方法,构建昆虫演化的“生命树”——昆虫的“家谱”。

“想知道昆虫的‘家谱’吗?”蔡晨阳拿起两块昆虫化石向记者解释道,“选取现生昆虫代表物种的成百上千个基因片段,结合分析软件,构建出昆虫的谱系关系图,再用化石给出的时间线索来校准,就能推断昆虫的演化历史。”

不过新开启的研究方向,曾令蔡晨阳痛苦不堪,“熬夜”与“焦虑”一度塞满他的生活。2018年到2020年,他受牛顿国际学者基金资助,赴英国布里斯托大学做研究,学习用分子系统学和分子钟的方法,再结合化石,研究古生物昆虫的演化历史。

“这对我来说,是一个全新的领域,需要阅读海量的文献,再从中找规律、发现问题、解决问题,这个过程很折磨人。”蔡晨阳说。

不过,这段熬人的经历也让他迅速成长。2020年12月底,蔡晨阳团队在《古昆虫学》杂志上发表的一篇文章称,他们通过挖掘开源组学数据和发育基因组学分析发现,跳蚤是一类特化的蝎蛉,并将蚤目降级为长翅目的一个次目。这意味着现生完全变态类昆虫将从11个目减少为10个目。同时,他们证明了跳蚤从吸食植物花蜜的长翅目祖先演化而来,最终成为如今吸食脊椎动物血液的寄生虫。

“那是我进步最快的一段时间,也让我对新领域的研究充满信心。”蔡晨阳说。

与蔡晨阳相处了10年的黄迪颖感叹,蔡晨阳的文献阅读量非常大,而且他经常能从文献中发现其中隐藏的科学问题。

南古所博士二年级学生付衍哲刚刚入所时,就跟着蔡晨阳学习如何打磨处理琥珀标本,与蔡晨阳相处的那段时间,两人总是从早上忙到晚上11点,常坐末班车回宿舍休息。

现在,一旦在科研上遇到坎儿,付衍哲也总喜欢向蔡晨阳讨教。“他会帮我出主意,而且他的工作效率特别高,往往目标明确、心无旁骛。”付衍哲说。

现在的蔡晨阳,已升级为奶爸。他每晚都会给女儿讲恐龙、昆虫、植物方面的绘本,陪伴孩子成长。

“我要努力让更多化石说出自己的‘秘密’,尝试把生物演化的故事讲给大家听。”蔡晨阳说。