作者：鄧濤（中國科學院古脊椎動物與(yu) 古人類研究所所長、研究員）

　　古生物學是一門古老的學科，已經有兩(liang) 百多年的曆史。曆史上如始祖鳥、北京猿人等關(guan) 鍵化石的發現都填補了生命演化曆史的空白。如今，新的觀測分析手段，諸如高精度成像與(yu) 解析技術、分子古生物學技術以及大數據和自動識別等，給古生物學這樣的傳(chuan) 統學科注入了新的活力，從(cong) 原有的以及新發現的化石中挖掘出大量前所未知的全新信息，讓我們(men) 逐漸看清遠古時代。

　　　高精度成像與(yu) 解析：無損傷(shang) 、高精度了解化石內(nei) 部結構

　　傳(chuan) 統上，古生物學家通過肉眼、放大鏡、光學顯微鏡、電子顯微鏡來觀察和研究生物化石外表的宏觀和微觀結構。但是，生物化石的很大一部分信息量包含在其內(nei) 部，需要古生物學家通過其他技術手段來揭示。如果化石樣本數量很多，可以考慮直接破壞化石，暴露其內(nei) 部結構。更為(wei) 常規的手段是通過切片或磨片取得化石某一截麵的二維結構信息，如果每個(ge) 截麵之間的距離相等，那麽(me) 就有可能精確地還原化石內(nei) 部三維結構，這就是連續切片或磨片。中國科學院古脊椎動物與(yu) 古人類研究所（以下簡稱“古脊椎所”）張彌曼院士就曾應用連續磨片技術對肉鰭魚類楊氏魚的頭部進行精細重建，揭示它沒有內(nei) 鼻孔，是原始的肺魚，從(cong) 而對尋找登陸魚類的真正直接祖先作出了突出貢獻。不過，這項技術必須經過磨片、素描、蠟片切割和堆疊成模等一係列極為(wei) 費時而又對精確度要求極高的過程，因此其應用隻能局限於(yu) 數量很多、又非常重要的化石標本，但是這兩(liang) 個(ge) 要求很難同時滿足。

　　早在20世紀中葉，就有古生物學家嚐試用X光“透視”化石，但簡單地使用X光照射，隻能取得照射方向上的一點模糊內(nei) 部結構信息，要重建各個(ge) 方向上的全部三維結構信息，就必須使用斷層掃描技術，這有點像無損的磨片或切片。斷層掃描（CT）最初在醫學和製造業(ye) 中發展起來，20世紀90年代開始，古生物學家嚐試將此技術應用到化石研究中。由於(yu) 化石比生物體(ti) 致密得多，且不同化石的物質成分千差萬(wan) 別，直接套用醫用CT機器往往很難達到理想的掃描效果，研發古生物研究專(zhuan) 用CT就成為(wei) 迫切需求。在這方麵，我國走在了國際前列——2008年，古脊椎所與(yu) 高能物理研究所和自動化所合作研製了全球首套專(zhuan) 門應用於(yu) 古生物化石研究的高精度CT，包括225kV顯微工業(ye) CT和450kV通用性工業(ye) CT，並於(yu) 2011年投入使用。這使得古生物學家能夠方便、快速、高質量地對不同大小的脊椎動物（含人類）化石及現生生物的內(nei) 部精細形態和顯微結構進行無損檢測和重建。應用這套設備，古生物學家迅速取得了一批重要成果，如古脊椎所朱敏團隊對早期有頜魚類內(nei) 部結構的重建，補充了“從(cong) 魚到人”演化史上的關(guan) 鍵環節；劉武團隊對中國重要人類化石基於(yu) CT的研究，定量重建了遠古人類的顱內(nei) 模、內(nei) 耳骨迷路等精細內(nei) 部結構。

　　熱河生物群是世界級的化石寶庫，產(chan) 出在演化史上極為(wei) 重要的脊椎動物、植物和昆蟲化石，其中許多化石精細、完整地保存了生物體(ti) 的軟組織，如鱗片、羽毛、毛發等的細微結構。可惜的是熱河生物群大多數化石來自湖相沉積，保存為(wei) 壓扁的板狀，其內(nei) 部結構信息往往互相疊壓，普通CT設備很難對其進行掃描和重建。在國家重大科學儀(yi) 器設備開發專(zhuan) 項支持下，我國研發了首台高分辨板狀化石專(zhuan) 用X射線顯微層析成像設備Micro-CL（Computed Laminography）。這是目前無損檢測大型板狀標本內(nei) 部結構的唯一手段，大大滿足了古生物學界的研究需求，推動並加快了對熱河生物群及其他類似保存狀態化石研究領域的工作。這一技術後來在工業(ye) 領域也得到運用，產(chan) 生了可觀的經濟效益。

　　在此基礎上，針對製約成像技術在古生物學中大規模應用的若幹難點，如耗時長、機時有限、重建所需的計算機配置高、軟件價(jia) 格昂貴等，我國古生物學者正從(cong) 多個(ge) 角度繼續探索，攻堅克難。

　　在加強研發的同時，使用新一代適合古生物學研究的商業(ye) 儀(yi) 器，可以進一步快速獲取高解析度的化石三維結構包括超微結構信息。例如，最近古脊椎所引進的微納能譜CT，可以同時獲得化石內(nei) 部各成分及其空間分布信息，進一步推動了對化石內(nei) 部信息的挖掘，而且對於(yu) 研究化石的形成條件和過程具有重要意義(yi) 。古脊椎所研究人員還自主開發了免費的專(zhuan) 門處理化石及生物體(ti) 成像數據的渲染處理軟件，推動這項技術在學科領域的大規模普及。

　　能量更高、更集中的同步輻射光源是滿足成像技術精度和對比度高要求的唯一解決(jue) 方案。以前古生物學家需要到國外如瑞士、澳大利亞(ya) 等地的同步輻射光源線站進行掃描，國內(nei) 的上海光源也提供了一種選擇。值得一提的是，正在建設的北京光源（HEPS）突破了國際同類線站的局限性，是世界上最亮的第四代同步輻射光源之一，預計將在2025年底建成並投入使用。按照計劃，我國將在北京光源建設全球首個(ge) 專(zhuan) 門針對脊椎動物演化、人類起源與(yu) 古人類遺存研究的同步輻射光源成像和測試平台，可以實現高靈敏度、強穿透、低劑量、多尺度分辨、無損的3D化石成像。

　　與(yu) 化石成像技術相伴的還有三維打印技術。隨著三維打印價(jia) 格的下降，這項技術也逐漸得到普及。將數字重建所得的化石內(nei) 部結構模型三維打印出來，可以方便、直觀地對這些結構進行觀察研究，以任意放大縮小比例大量製作高精度的模型，用於(yu) 科研、教學和科普展示。

　　　分子古生物學：重建古生物演化曆史的重要工具

　　古代生物死亡後，不同的有機物組分保留的時間長短不一，提供的生物的信息不同，而承載生物體(ti) 內(nei) 遺傳(chuan) 信息的脫氧核糖核酸（DNA），成為(wei) 重建古生物演化曆史的重要工具。這一研究方法肇始於(yu) 20世紀80年代，21世紀初期，受益於(yu) 人類全基因組的發表和高通量測序技術的發展，古DNA領域開始蓬勃發展。斯萬(wan) 特·帕博是這一領域的奠基人，開創性地解決(jue) 了DNA汙染問題，搭建了世界上第一個(ge) 古DNA研究的超淨室，並設計出超淨室的工作規則。他帶領團隊重構出尼安德特人的基因組，發現了丹尼索瓦人——首個(ge) 僅(jin) 通過古分子證據而確認的已滅絕古人類。2022年的諾貝爾生理學或醫學獎也因此頒給了帕博。

　　古DNA提取物中常常包含大量汙染DNA，使得測序的大部分DNA分子都是無用的信息，真正有用的常常不到測序數據的1%。對此，古脊椎所付巧妹研究員和邁耶研發應用了DNA捕獲技術——通過設計DNA或RNA探針，像釣魚一樣把目標古DNA從(cong) 海量的汙染DNA中“釣取”出來。這項技術廣泛應用於(yu) 人類古基因組研究中，目前超過2/3的人類古基因組數據來自一個(ge) 叫“1240k”的探針組的捕獲數據。DNA捕獲技術不僅(jin) 使得對古DNA的測序效率大大提高，還能有效從(cong) 一些棘手的樣本中得到足夠的數據。一個(ge) 典型的例子是中國古南方人群的基因組研究。中國南方溫暖潮濕的環境和當地的酸性土壤都不利於(yu) 古DNA的保存，使得這片區域的古DNA研究一度處於(yu) 空白狀態。得益於(yu) 該技術，廣西古南方人群的基因組研究揭示了在農(nong) 業(ye) 傳(chuan) 播之前,東(dong) 亞(ya) 和東(dong) 南亞(ya) 人群已有大量交流。

　　沉積物DNA分析是一種新興(xing) 的古DNA分析技術，可以不再依賴骨骼化石材料而從(cong) “土”中提取出古代生物的遺傳(chuan) 物質。這種方法彌補了人類化石可遇而不可求的缺憾，極大地擴大了研究對象，打開了研究舊石器考古遺址人群演化的新窗口。2020年付巧妹團隊和蘭(lan) 州大學合作，通過白石崖溶洞遺址沉積物，釣取35個(ge) 樣品的242種哺乳動物和人類的線粒體(ti) DNA，並使遠古人類的DNA得以富集。這些古DNA與(yu) 遺址的骨骼遺存相印證，證實了犀牛、鬣狗等動物的存在。還揭示白石崖洞的四個(ge) 地層裏有已滅絕的古人類——丹尼索瓦人的線粒體(ti) DNA。這是首次在丹尼索瓦洞穴之外的地方發現丹尼索瓦人，是支撐其曾分布廣泛的有力證據。利用這種方法，丹麥哥本哈根大學研究人員2022年12月報道了從(cong) 格陵蘭(lan) 島凍土中提取到約200萬(wan) 年前的生物DNA，為(wei) 迄今已知最古老DNA。該研究發現格陵蘭(lan) 島曾生活著乳齒象、馴鹿、野兔和大雁等動物，不僅(jin) 有如今還在當地能見到的苔蘚、灌木、樺樹等植物，還生長著白楊、杉樹等如今通常生長在緯度較低地區的樹木。

　　自2010年起，古脊椎所建立了國際一流水平的分子古生物學實驗室，以古DNA技術為(wei) 核心，在主攻古人群基因組研究的同時，並行開展動物古基因組、共生微生物及病原微生物演化、古蛋白質研究等衍生研究方向。2016年首次翔實地繪製出冰河時代歐亞(ya) 人群的遺傳(chuan) 譜圖；2017年對田園洞人個(ge) 體(ti) 進行DNA測序，實現中國地區乃至整個(ge) 東(dong) 亞(ya) 最古老人類的第一個(ge) 全基因組測序；2018年從(cong) 末次冰期前後迄今最古老的大熊貓化石成功提取到完整線粒體(ti) ，揭示大熊貓新的線粒體(ti) 譜係。2018年建立自動化實驗平台後，實驗速度快、精確度高、產(chan) 量高，產(chan) 出了係列重磅成果，例如，揭示東(dong) 亞(ya) 早期現代人的遺傳(chuan) 多樣性及長時間尺度下動態演化圖譜；闡明華夏族群萬(wan) 年來的遺傳(chuan) 連續性及不同文化人群的遷徙融合曆史；闡述東(dong) 亞(ya) 特有適應性基因的選擇機製；明確以台灣島阿美族和泰雅族為(wei) 代表的南島語族與(yu) 福建內(nei) 陸古人群同源。這些研究更新、補充或修正國際學術界相關(guan) 學術假說，為(wei) 闡明華夏族群的形成過程及追溯南島語族源流等提供了重要科學依據。實驗室也在珍稀保護動物（如金絲(si) 猴、南方灰狼）演化研究上取得重大新發現，並推廣至更多已滅絕動物及瀕危動物研究領域。

　　蛋白質包含有豐(feng) 富的生物遺傳(chuan) 進化信息，在化石中留存的時間要比DNA長得多，且可覆蓋古DNA目前所無法觸及的時間與(yu) 地域盲區，在人類及其伴生物種的演化研究領域具有廣闊的應用前景。例如，已有國際研究團隊從(cong) 180萬(wan) 年前的動物牙齒和超過650萬(wan) 年前的蛋殼中獲取古蛋白質。再比如，在炎熱潮濕地區，古DNA難以保存，但有研究團隊在亞(ya) 熱帶的早更新世甚至上新世化石中成功獲取古蛋白序列。這方麵研究逐漸成為(wei) 新興(xing) 熱點，在2019-2020年，學術期刊連續發表的4篇重要成果，解決(jue) 了夏河人、史蒂芬犀牛、步氏巨猿以及先驅人的係統發育問題，引發國際學界廣泛的關(guan) 注。我國已經加強這方麵的布局，圍繞重點考古遺址的相關(guan) 樣本開展研究，以期解決(jue) 科學問題，助力產(chan) 出重要原創性科研成果。

　　大數據及自動識別：有助於(yu) 實現化石的自動鑒定

　　隨著研究的深入，古生物學從(cong) 定性描述進入定量的計算，引進統計學模型。研究中越來越關(guan) 注生物多樣性的變化、形態特征的宏演化。在古生物學中係統發育分析規模越來越大，涉及上百個(ge) 物種，數千個(ge) 性狀。這些研究都涉及大數據，需要高性能計算機的協助。

　　為(wei) 了建立古生代（約5.4億(yi) 年-2.4億(yi) 年）海洋生物多樣性，南京大學樊雋軒團隊遴選了3112個(ge) 地層剖麵、11268個(ge) 海洋化石物種的26萬(wan) 條化石數據，團隊結合了模擬退火算法和遺傳(chuan) 算法，自主開發了基於(yu) 並行計算的約束最優(you) 化方法。利用“天河二號”超級計算機，經過反複計算和驗證，獲得了全新的寒武紀-三疊紀海洋無脊椎動物的複合多樣性曲線。

　　近些年來貝葉斯方法在古生物學中廣泛運用，但是這種方法對於(yu) 計算性能要求高，即使使用目前的高性能計算機一次運算也可能需要數周甚至上月的時間。不少古生物研究機構專(zhuan) 門購置了高性能計算機，運行專(zhuan) 門開發的分析軟件。比如，近些年古脊椎所發表的重要成果大多離不開高性能計算機的支撐。

　　近些年科研人員基於(yu) 深度學習(xi) 、卷積神經網絡，圖像識別等等進行探索，以期實現化石的自動鑒定。在古生物學中微體(ti) 化石的鑒定費時費力，而且很多是重複勞動，但是這一工作在油田鑽井、環境研究中卻必不可少。我們(men) 希望能夠實現牙形刺、筆石、孢粉等由人工鑒定轉向自動識別。這個(ge) 領域剛剛興(xing) 起，距離成果投入實際運用還有很長的距離。這一工作有廣泛的應用前景，建議有關(guan) 部門以先期投入促進科研的開展；也需要專(zhuan) 業(ye) 的古生物學家建立鑒定準確的圖片庫以供機器學習(xi) ，也需要人工智能等多學科交叉，以實現可靠的自動鑒定。