作者:胡珉琦 来源: 中国科学报 发布时间:2024/5/13 7:33:44
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这枚“金钉子” ,我们争了30年

黄泥塘剖面全景。

达瑞威尔阶“金钉子”剖面。

达瑞威尔阶“金钉子”标志碑。南京古生物所供图

1998年,国际界线工作组在浙江常山县参加达瑞威尔阶“金钉子”碑揭牌典礼。从左至右为法国学者弗洛伦廷·帕里斯、巴里·威比、陈旭、张元动。

■本报记者 胡珉琦

1965年,国际地质学领域多了一个极为重要的名词——“金钉子”。

“金钉子”并不含金,却在半个多世纪里引起全球地质学家的激烈争夺。截至目前,中国“夺得”11枚“金钉子”,位居世界第二。这究竟意味着什么?

地球46亿年的历史都记录在地层中。“金钉子”就像一把地层年代“卡尺”,使科学家能够按统一的时间标准分析并研究不同地区同步发生的地质事件,在叙述地质历史时拥有共同“语言”和全球性标准。在地学界,“金钉子”的意义不亚于奥运会金牌。每一枚“金钉子”的确立,都要经过国际地层委员会和国际地质科学联合会严格的投票认定。“金钉子”的数量代表着一个国家地质学研究的综合实力。

中国第一枚“金钉子”是在这个概念提出后30余年才确定的。在竞争“金钉子”的过程中,中国科学家历经艰难、屡遭挫折,但不屈不挠,最终后来居上。

这段一波三折的故事,就发生在中国科学院南京地质古生物研究所(以下简称南京古生物所)的科学家身上。

1 连遭挫败

1991年,第六届国际奥陶系大会预备会议前,南京古生物所研究员陈旭收到国际地层委员会奥陶系分会主席、澳大利亚麦考瑞大学教授巴里·威比的郑重邀请:“我们想提名你担任国际地层委员会奥陶系分会副主席。”

威比的理由是,全世界的奥陶系地层分布,中国占据了一大块,但国际地层委员会奥陶系分会长期缺少中国学者。“这些年,我们在国际刊物上屡屡看到你发表的文章,非常高兴。”

即将在澳大利亚悉尼大学召开的国际奥陶系大会最核心的任务,就是推动全球奥陶系年代地层标准的建立,尽快实现“金钉子”零的突破。

这是一个关乎国际话语权的机会。陈旭毫不犹豫,欣然接受了邀请,“心里憋着这一股劲儿太久了,终于让我等到了”。

陈旭的憋屈与不甘,映射出的是那一代中国地质学人在国际舞台上的边缘处境。

20世纪60年代,受工业发展的驱动,人类对能源的需求与日俱增,因此对地质学研究精确度的要求也日益提高,但由于缺乏统一标准,造成了全球地层划分和对比困难。

1965年成立的国际地层委员会,主要目标之一就是建立全球统一、精确定义的年代地层系统。“金钉子”应运而生。

如同记录年代的单位年、月、日,地层也有自己的年表,分为宇、界、系、统、阶5个层次,其中阶是基本单位。“金钉子”其实就是划分和定义不同“阶”底界的全球性标准,需要在全球范围内一段特定的地层剖面和特定的岩层序列中标出来。

过去,全球地层一直参照100多年前英国提出的传统划分方法。尽管该方法存在公认的严重缺陷,但英国学者长期把持地学领域学术话语权,要想推翻它,谈何容易。

1972年,全球第一枚“金钉子”被确立在捷克首都布拉格的西郊,标定的是志留系和泥盆系之间的界线。此后,世界各国轰轰烈烈地展开确立“金钉子”的竞赛。

然而,中国与国际地质学界长期脱节,中国科学家连入场券都拿不到。直到1977年,中国才开始正式参与国际地层委员会的活动。

进入20世纪80年代,中国科学家终于得到机会,参与竞争奥陶系和志留系底界之间界线的“金钉子”,却连遭挫败。

当时,吉林奥陶系底界和湖北志留系底界的剖面非常被看好,甚至已作为唯一候选剖面进入国际地层委员会最后一轮表决阶段。

然而,形势急转直下。国际地层委员会突然改变定界标准,启用先前已被淘汰的候选剖面。两枚“金钉子”与中国擦肩而过。

介绍这段历史时,现任国际古生物协会秘书长、南京古生物所研究员詹仁斌愤愤不平。这种情况在国际地层委员会“金钉子”投票历史上很罕见。

这固然与中国对地层研究不足、对“金钉子”标准体系理解不充分有关,但詹仁斌认为这不是唯一原因。当时,西方学者垄断了国际学术组织中学术规则的制定权和投票权,国际地学界对中国地学研究的认知长期处于空白状态,对中国学者存在天然的偏见。

正因如此,抓住一切能走向国际学术舞台的机会,是那一代中国地质学人的信念。

2 针锋相对

1991年7月14日,陈旭以国际地层委员会奥陶系分会副主席的身份踏入第六届国际奥陶系大会会场。

奥陶系形成于距今4.85亿至4.44亿年,是地球历史上海洋生物开始急剧多样化的关键时期。奥陶系“金钉子”研究虽然从20世纪70年代就已开始,但一直进展缓慢。

经过整整5天的激烈讨论,大会提出了奥陶系共9条有潜力的候选地层界线,“金钉子”将从中产生。

每一枚“金钉子”都包含剖面、点位两部分内容。其中,点位的确立,需要以一个地理分布广泛的代表物种在特定岩层序列中“首次出现”为标志。而包含这个点位的剖面,必须岩相单一、地层序列连续完整,且包含尽可能丰富、具有全球代表性的化石类群,以便对比。

竞争就从这两方面展开。

在奥陶系中部一条界线的竞争中,陈旭和英国奥陶系研究首席科学家理查·福提狭路相逢。双方的矛盾出现在“笔石”身上。

笔石是一种已经灭绝的海生群体动物,在奥陶纪和志留纪异常繁盛,不仅演化速率快,而且广布全球。因此,这两个地质时期的“金钉子”常把某些特定种类笔石的首次出现作为标志。

那么,具体要选择哪一属种的笔石作为代表?福提提议基于英国模式标本的直节对笔石;陈旭则认为,基于澳大利亚模式标本的澳洲齿状波曲笔石更为合适。

“如果以直节对笔石为标志,就要选择相应的剖面,但英国提出的剖面所包含的化石类群不具有全球代表性,不利于全球对比。”陈旭直言。

相反,中国提出的以澳洲齿状波曲笔石为标志的剖面,位于浙赣“三山地区”(江山-常山-玉山地区),不仅奥陶系地层序列连续,动物群也异常丰富,除笔石外,还有牙形刺、腕足类、三叶虫等非常具有代表性的化石门类。

陈旭坚信,中国的优势显而易见。但英国团队极力维护自己的传统划分,想通过厘定界线定义、深入研究新剖面等多种方式把该“金钉子”建在英国,相当强势。

眼看争论无果,威比提出,中国和英国团队在11月同时提交进一步的研究报告,再作讨论。

会后,陈旭立即牵头组织了一个由中、澳、美、法、德科学家参与的国际界线工作组,研究中国“三山地区”候选剖面的可能性,威比也在其中。不过,陈旭理直气壮地避开了英国专家。“他们不高兴就不高兴呗!”

可就在距离提交报告仅剩一个多月时,英国团队的一番操作让陈旭颇为恼火。“竞争未见分晓,他们却抢先把相关剖面的研究结果发表在国际期刊上,这是违反国际通则的。”

“但我们得沉住气,不跟他们对着干。”陈旭不疾不徐,按时向奥陶系分会提交了研究报告。他心中有底。

要知道,早在一年前,也就是1990年9月,第四届国际笔石大会在中国召开,国际专家的野外考察路线就在“三山地区”。这一地区奥陶系极为发育、地层序列连续、化石标本保存精美,给与会的各国专家留下了极其深刻的印象。

而英国团队违反规则的做法,引来国际界线工作组专家的不满和质疑。奥陶系“金钉子”争夺的天平开始向中国倾斜。

3 峥嵘岁月

中国“三山地区”奥陶系的研究历史,可以追溯到20世纪20年代。后来虽有中断,但到20世纪80年代,中国地质学家已把该地区奥陶系地层剖面基本都梳理了一遍。

“这些剖面既有中国特色,又有全球代表性,自然禀赋非常好。作为‘金钉子’候选,一打一个准。”尽管陈旭很笃定,但他也深知,过去的研究离“金钉子”的确立要求还有不小距离。

“三山地区”6条奥陶系候选剖面的系统研究随即展开,其中最被看好的是浙江常山县黄泥塘剖面。它不仅完整保留了奥陶系的地质记录,还同时拥有两种关键的代表性化石门类——笔石和牙形刺。这种剖面极少见,简直是大自然留下的“意外之财”。

早期的“金钉子”研究主要围绕古生物展开。国际地质科学联合会规定,确定一枚“金钉子”的位置必须找到标准化石的连续演变,也就是由它的祖先和后代的化石物种建立起连续且完整的物种演化谱系。

为此,陈旭带着当年还是博士生的张元动,建立了一套非常严格的工作方法——无间断连续采集。他们把黄泥塘剖面以20厘米为单位进行划分,逐层采集笔石化石和其他化石群化石,共计200多层。只有把每层岩层中的笔石化石都研究清楚,才可能找到它们的连续演化关系。

野外工作量大,研究经费又捉襟见肘,但陈旭不以为意。“没车咱就走着去;雇不起人,咱就自己扛石头;饿了,吃馒头;节省时间,就住村里老乡家……怎么都能将就。”

可当说起自己的学生,陈旭感慨:“阿动就是个埋头苦干的人,可苦了他了。”

在5年多的时间里,张元动靠着一张小板凳和一把科考锤,日复一日面对灰色的剖面,一层又一层敲打搜寻。夏季,他被蚊子咬得满身是包。冬季,如果遇上刺骨的寒雨,他就一手打伞一手敲岩石,找到化石立即包装,有时晚上回到老乡家后却发现它发霉了。

野外工作是孤独的,唯一能让张元动感到兴奋的就是从金光闪闪的黄铁矿里敲出形态完美、细节清晰的银白色笔石。直到现在,他偶尔还能在梦中见到这样的场景。

“我们在黄泥塘剖面工作期间发生了两次危险。”张元动至今心有余悸。

一次是在1991年,他和陈旭租了一辆“蹦蹦车”前往剖面。司机姓毛,毫无经验,还十分毛躁,在一个陡坡上翻车了,陈旭身上多处受伤,鲜血直淌。

还有一次是在1995年,他和詹仁斌到剖面采集化石标本,一不小心栽到路边数米深的沟坎里,起来后才发现身侧都是尖耸的乱石,与脑门只差毫厘。

随着研究的推进,国际界线工作组来国内考察的时间临近了,可经费还没有着落。陈旭开口向时任南京古生物所所长曹瑞骥申请8万元经费。老曹吓了一跳:“你这是要我命!”当时,研究所全年科研经费才20多万元,“最多给你3万元”。

1994年夏天,陈旭揣着仅有的这些钱,带领国际界线工作组全体成员走遍了“三山地区”6条候选剖面。眼前连续完整的剖面和一层层展示的精美化石标本,让专家们大为吃惊,威比连连称赞。

陈旭并不感到意外。“我从1985年就开始跑这些剖面,它们都快被我磨烂了,不同层位的笔石种我能倒背如流。”

初战告捷,工作组回到县城简陋的宾馆,心情不错的陈旭特地让厨房加了两个菜。

4 势如破竹

野外工作只是“金钉子”研究的基础部分,要想彻底搞清楚笔石的演化谱系,还需要回到实验室。

“过去,由于我们古生物学鉴定、分类的基础工作不够扎实,国际地质学界认为我们的研究结论可信度不高。”为了避免出现这样的情况,张元动对笔石类群的结构特征、系统位置、演化关系、地层地理分布进行了详细、彻底的研究。

张元动利用扫描电子显微镜,对大量化石标本切片进行观察研究,并与世界各国的有关标本对比,同时开展分支系统学研究,从而精确厘定笔石类群的演化序列。其间,一个意外的发现让他兴奋起来。

笔石体由胎管和胞管组成。一直以来,古生物学者主要根据胞管形态差异确定其类群演化关系。但张元动在进行大量标本比对和文献调研后认为,这套理论方法有漏洞。“胞管是笔石发育的终端结构,要想作为高级别分类单元的标志性特征,采用早期发育阶段的结构——胎管更为合适。”

后来,正是基于这个发现,新一代笔石研究开始采用以始端发育建立起来的分类系统。它也是这项“金钉子”研究中一个重要的学术创新。

陈旭总是告诉学生,科学研究想要做得长久、出色,每篇论文都要在思路、方法、技术或理论上争取创新,而不能只满足于增加一些不同地点、不同标本材料的信息。陈旭的鼓励让张元动再次萌生一个全新的想法。

“‘金钉子’的点位要以代表化石的‘首次出现’为标志,但目前所有研究都缺乏验证过程。”张元动自学计算机技术,并引入数学模型,建立了一套计算机图形对比方法,用定量的方式验证“首次出现”的可靠性,解决了“金钉子”所要求的高精度划分对比问题。此后,这一分析方法逐渐成为“金钉子”研究的一种重要手段。

这一系列研究成果,让国际同行看到一条地层发育极其完整、生物化石含量丰富且研究程度非常高的奥陶系地层剖面。

1995年,国际界线工作组正式向国际地层委员会奥陶系分会提交了建立全球达瑞威尔阶“金钉子”的报告,提议以澳洲齿状波曲笔石在中国浙江黄泥塘剖面的首次出现定义其底界。

1996年至1997年,这个提案先后获国际地层委员会奥陶系分会、国际地层委员会投票通过,并得到国际地质科学联合会确认。

中国第一枚“金钉子”就此确立。它实现了我国“金钉子”零的突破,同时也是奥陶系的第一枚“金钉子”。这是中国地质学历史上的一个里程碑。

早在国际界线工作组正式提交这条唯一候选剖面时,福提就知道英国已经与这枚“金钉子”渐行渐远了。2000年,张元动受邀到他所在的英国自然博物馆进行合作访问,福提大方地表达了对黄泥塘剖面和中方研究的认可:“这枚‘金钉子’的确立,是全球奥陶系数十年来最突出的进展。”

经过多年的“交锋”和交流,福提和陈旭、张元动等中国同行成了志趣相投的好友。

“对国内地质学界而言,黄泥塘‘金钉子’是一个经典的研究范本。它叩开了一扇大门,让越来越多的‘金钉子’在中国建立。”早已成为南京古生物所研究员的张元动表示。

进入21世纪,中国在“金钉子”领域的研究势如破竹,几乎每隔两年就有新的“金钉子”确立。其中,南京古生物所主持确立的有7枚。

从学习西方到开展国际合作,再到越来越多的“金钉子”破土而出、领先国际,陈旭完整经历了这段不凡的时光。

已经88岁高龄、当选中国科学院院士20余年的陈旭说:“作为一个人为的国际标准,‘金钉子’的确立从来都不只是学术上的竞争。科学家一定要勇敢闯荡国际舞台,不惧争辩,向世界证明我们的实力,捍卫国家尊严。”

《中国科学报》 (2024-05-13 第4版 专题)
 
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