卢静：追寻四亿年前人类远祖（内有神秘新年礼物）

大家好，我是中国科学院古脊椎动物与古人类研究所的卢静。今天给大家的演讲题目是，追寻4亿年前的人类远祖。

我们从何处来，我们的祖先究竟长什么样，要回答这些问题，我们可以从远古时期向下追溯。第一个关键节点是有颌类脊椎动物的出现，在距今4亿年的志留纪到泥盆纪，某一类远古鱼类的出现，为人类发展带来了第一线曙光。

因为我们知道，人是从鱼演化而来的，而从哪一种鱼演变而来的，就需要有科学研究依据。我们要回答跟人类自身相关的，几个非常重要的问题，比如颌是怎么出现的，最早的硬骨鱼类如何出现，肉鳍鱼类怎么出现，而四足动物又是如何从鱼的基础上演化而来的。

以上这些问题的答案，都要去距今4亿年至3亿年前的志留纪到泥盆纪中寻找。这一段地质历史时期里，脊椎动物可以分成两个大类，一类是无颌类，这类生物在现今的地球上是非常少的，大概也就占了0.2%的比例。而目前地球上大部分的脊椎动物，都是有颌类，又叫有颌脊椎动物，在4亿年前，地球上已经有很多有颌类，但那时它们只生活在水里，它们都是鱼。

脊椎动物演化史

这些有颌的鱼类又可以分成两个大类，一类是像鲨鱼、鳐鱼这样的软骨鱼类，剩下98%的鱼都是硬骨鱼类；而硬骨鱼类中，有一支和人类关系非常的密切，就是肉鳍鱼类。肉鳍鱼类中的一支最后爬上了陆地，演化成四足动物，才有了现在的人类。

那么，什么是肉鳍鱼呢？肉鳍鱼和我们现在在地球上看到的所有的鱼都不一样，它的鳍是肉质的，这样的肉质的鱼鳍不是为了好吃，而是有用，因为这样的鱼鳍里有内骨骼，而这种内骨骼和人类的大臂、小臂、腕骨、掌骨等等是可以进行一一对应的。正是有了这种形式的鱼鳍，才为四足动物演化出四肢提供了先决条件，为动物爬上陆地提供了最重要的支撑。

中国科学界对于“从鱼到人”的探源研究，探讨肉鳍鱼类、四足动物的演化，扮演非常重要的角色。从20世纪80年代开始，张弥曼院士就带领课题组在云南曲靖率先开展相关工作。在那个时候，肉鳍鱼类领域的研究中心还主要在欧美。

而在上个世纪80年代，当张弥曼院士对一件古老的，来自中国云南曲靖的杨氏鱼的头骨进行研究之后，大家才发现，原来，中国应当是肉鳍鱼类的起源地。这项研究，也为以后我们开展更多的肉鳍鱼类研究，以及相关更早期的门类的研究，提供了非常重要的基础，我国也一跃成为肉鳍鱼类乃至整个早期鱼类研究的中心。

张老师带着这件杨氏鱼的鱼头到了瑞典，进行连续磨片，花了一年多的时间，把不到3.5厘米的化石磨成了500多张切片，然后把鱼头的所有结构拍照，且绘制出来，最后形成一个完整的三维鱼类脑腔结构图，进而研究这种鱼在演化上的重要意义。

这个工作为研究四足动物的起源奠定了非常重要的基础。在20世纪80年代前，关于四足动物起源的主流假说是双起源假说，这是张院士的老师雅维克（Eric Jarvik）提出来的，他认为四足动物中的其中一支——包括青蛙在内的无尾类有独立的起源，来自一类叫做肺鱼的肉鳍鱼类。而张院士所研究的杨氏鱼，就是早期肺鱼的代表。

张老师在连续磨片工作的时候，从鱼的前外鼻孔开始深入，在后面发现了鱼的鼻囊；紧接着又是发现了后外鼻孔。在这个过程中，发现杨氏鱼这种肺鱼的祖先类型缺失了一种登陆所需的重要结构：内鼻孔。没有内鼻孔，意味着肺鱼并不是登上陆地鱼类的直接祖先。

这就否定了雅维克提出的肺鱼类也是四足动物的祖先的假说，当时在世界上引起了极大的轰动，以及对四足动物起源的反思。

现在我们知道，四足动物是单一起源的。张院士之后朱敏老师又在云南曲靖进行更多的研究工作，进一步在早泥盆世地层中，发现了更多的肉鳍鱼类的化石，比如斑鳞鱼，无孔鱼、蝶柱鱼等，为我们探讨研究早期肉鳍鱼类的演化提供了非常重要的条件和证据，而且也进一步支持了中国是早期肉鳍鱼类起源中心的假说。

中国是肉鳍鱼类的起源中心

之后，随着更多的与早期登陆的四足动物直接相关的化石，比如肯氏鱼、东生鱼等的发现，现在全球已经公认，肉鳍鱼类是从中国起源，然后扩散到全球，并进一步登陆的。中国早期肉鳍鱼类的化石发现，为全球四足动物起源研究，奠定了非常重要的研究基础。

现在我们知道，肉鳍鱼类的起源中心在中国，但是肉鳍鱼类只是硬骨鱼类中的一支，那么硬骨鱼类的祖先又在哪里呢？朱敏老师带领我们把目光投向了更为古老的志留纪地层。

云南曲靖的地层特点是从北到南，越来越老，要找更为古老的化石，就要到更为古老的地层中，也就是说，需要一路向南。

野外化石发掘工作

在2007年的时候，我们在曲靖的志留纪地层中，开始了发掘工作。最开始时，发掘其实很很难，走遍了整个山头之后，才在一个山坡上，发现了一片零散的硬骨鱼类的鳞片。

我们就很激动，因为这些鳞片预示着，我们在这里可能会发现更多的化石。在后续的发掘中，我们发现了数十个鱼头，还有一条几乎完整的硬骨鱼类，取名叫做梦幻鬼鱼，因为这条鱼保存得非常完整，这种品相只有在梦里面才会出现，它可以为我们直接提供最早的硬骨鱼到底长什么样子的证据。

梦幻鬼鱼有着最早期的肉鳍鱼类的鱼头，还有着非常原始的盾皮鱼类的身子，具有原始和进步特征的镶嵌组合。更加梦幻的是，这条梦幻鬼鱼只是一个开始，在对这个地层持续十年的发掘中，发现了大量的，非常重要的早期有颌类化石，其中就包括了初始全颌鱼以及麒麟鱼。过去人们一直认为，盾皮鱼是有颌类演化过程中的一个旁支，但是初始全颌鱼和麒麟鱼作为两种盾皮鱼类，却已经拥有了硬骨鱼类的特征，这也证实了盾皮鱼类是有颌类演化过程中起着举足轻重的作用。初始全颌鱼还有一个别称，叫做“人脸古鱼”，因为它是最早拥有硬骨鱼类型式上下颌的盾皮鱼，这为我们了解四足动物包括我们人类的上下颌演化提供了重要的化石证据。

初始全颌鱼的发现打开了了解早期有颌类演化的窗口

在中国的志留纪和泥盆纪地层发现了大量的早期脊椎动物，填补了非常多的演化空白。但是从整个有颌类的演化历史上来看，依然还存在着3500万年的化石记录空白。这意味着我们还需要再在更古老的地层里面继续寻找有颌类化石。

于是，在过去十几年，朱敏老师继续带领我们寻遍了全国 200多个志留纪早期地层，终于有了一系列突破性的发现。2022年9月，一大波媒体报道了这些成果，大家可能还有印象，主题是“人的祖先是鱼”。很多朋友很奇怪，为什么一觉醒来发现，我们的祖先从猴子变成了鱼。

其实这系列研究的主要内容，是我们找到全新的4.3亿年前志留纪早期的化石生物群——重庆生物群和贵州石阡生物群，它们为我们带来许多过去未知的关于脊椎动物早期演化历史的信息。这些发现揭示了人类的祖先——最古老的有颌脊椎动物，它们是什么样子。同时，它们也在催促我们，还要到比志留纪更古老的地层中去寻找有颌的脊椎动物。

奇迹秀山鱼，是目前我们已知最为古老的盾皮鱼类，与奇迹秀山鱼一起被发现的、“披盔戴甲”的沈氏棘鱼，是目前我们知道的最古老完整保存的软骨鱼，也就是现在的鲨鱼、鳐鱼们的祖先。

这些研究除了依赖化石发现以外，也依赖最新的技术手段的应用。在这其中有一个非常重要的技术手段，就是CT技术。

在20世纪20年代，瑞典的古生物学家引入了对早期脊椎动物化石的磨片研究方法，就是前面我们讲张老师带着杨氏鱼去瑞典进行研究时所采用的方法。具体方法是，把化石磨成一片片薄片，然后进行拍照和绘制结构图，最后得到一系列的化石内部切片图，然后用蜡质模型方法复原脑颅和脑腔等结构，进而全面了解整个化石的内部结构。但是这一过程是不可重复的，磨完片之后，化石也就没有了。若干年后的研究者，想要再研究这些化石，是不可能的。

通过磨片法构建的化石内部结构图

到了2000年之后，工业和医学CT技术开始应用到了化石研究中，用这种无损探测的方式，可以用来对化石的脑颅进行研究。这种CT原理上和医院里的CT是一样的，主要的区别是，医院做CT的时候是人不动而探头在动，而我们研究化石时，可以固定探测器而旋转化石，来获得它的高精度切片数据。

从2007年开始，朱敏老师带领团队与中国科学院高能物理所、自动化所合作研发可以真正用到古生物研究的CT机器，2010年，两台机器正式投入使用，分别用来扫描小型的标本和大型的标本。

高精度CT机器投入使用

2011年，我们所的高精度CT中心正式成立。现在，我们的CT中心有三个平台，一个是无损探测的古生物探测平台，也就是我们用来探测不同化石的CT机器；一个是在线分享三维数据的分享编辑平台；以及我们的三维重建可视化复原平台。从2011年到现在，高精度CT为古生物研究提供了重要的支撑作用，已经帮助学者们在《自然》、《科学》等顶级科学期刊上发表了超过150篇论文。

在这个基础上，我和团队还自主研发了三维可视化软件Vayu，对三维分割的化石进行进一步的渲染和标注。通过这样的技术方式，可以让研究者和公众更为清楚直观地看到我们的研究。同时这个软件也可以结合VR虚拟现实技术，让我们走进古生物的身体内部，去观察生物的结构细节。这样一来，也可以帮助我们进一步了解整个生物的解剖结构，和各个结构之间的立体关系。

现在，我们进一步扫描并获得了大量的，各种现生动物的CT数据，在对这些数据进行精细的三维重建与分割后，再进一步进行三维渲染，形成了一个非常有特色的，现代生物的电子标本库。通过标本库，研究者可以充分了解现代生物和古生物之间的联系，而公众也可以更直观地了解到动物身体的内部结构。

我们在古动物馆东厅建了一个三维数字的虚拟骨骼电子墙，在这面电子墙上展示了我们三维重建的生物骨骼电子标本，这些标本很多是全球稀有的，例如这一件我们看到的最大的大鱼，就是现在世上仅存的肉鳍鱼之一，拉蒂迈鱼的电子骨骼标本。我们将其放在数字墙上展示，旨在向公众普及生命演化的奥秘，同时利用这些技术更好地传播我们的研究成果。

数字标本三维虚拟骨骼展示（赛博朋克风拉满了！）

同时，我们还进行了其他探索性工作，对脊椎动物各大门类的胚胎进行了扫描和三维分割与重建，整合了100多组数据，获得了胚胎的主要发育系列，可以了解到胚胎发育过程中，各个结构的出现顺序，以及发育演化过程，这对于我们了解脊椎动物的演化，也有重要的帮助。

部分脊椎动物胚胎三维重建图。

从左到右：软骨鱼类、两栖类、爬行类、哺乳类

去年，我们成立了三维复原和可视化实验室，通过对三维重建数据进行三维复原和加工，更好的向公众传播生命演化相关的科学知识。例如，我们去年在《自然》上发表四篇文章中，五条古鱼的复原，就是可视化团队独立完成的。这是可视化团队首次向外公开的工作成果，也是科研和可视化工作的成功结合，这些复原成果一经发表，便引起了包括美国国家地理杂志在内的多家科普杂志和传媒的关注。

过去，我们的生物复原方法仅是简单地模拟生物的大体外形。然而，现在我们采用基于CT三维重建的技术，以精确的三维信息为基础进行复原，以确保获得尽可能接近真实古生物本身状态的模型。拥有高精度模型之后，我们可以进一步扩展应用，例如对模型进行物理简化、进行流体力学分析、有限元分析等，从而为相关研究提供更多有价值的数据。这使得我们能够更准确地研究古生物的特征和行为。

利用这一系列的三维数字资产，我们甚至可以创建古生物的生态场景，并进行虚拟现实（VR）建模或实体化演示。

这是我们做的一个三维实体模型，展示了一个四足动物登陆的场景，从最早的真掌鳍鱼，一直到过渡类型提克塔利克鱼，再到最终爬上陆地的鱼石螈，通过真实场景的复原，让大家更好的理解鱼类如何登陆。这一内容将展示在古动物馆的新馆中，也就是保定自然博物馆，这个馆计划在2024年1月份对公众开放，欢迎大家来参观。

最后，我想向大家介绍我们2023年年初的一项工作。在2013年的时候，英国广播公司的一个团队曾来我们研究所拍摄纪录片《动物的崛起》，其中用了我们的一件标本，是一条5公分长的小型盾皮鱼类——副云南鱼，副云南鱼保留了非常完整的偶鳍，事实上，它是最早保留偶鳍的鱼类之一。当时英国广播公司团队对这条鱼进行了三维模型制作。

然而，到了2023年初，我们重新对这条鱼进行了高精度的CT扫描和三维重建，不仅重建了高精度的三维模型，还复原了了这种鱼的生活场景。在动画中的这条鱼看起来与普通的鱼没有什么不同，但谁能想到，它生活在4亿年前。我猜，它也无法想象，4亿年后的我们会以这种方式重新认识它。

我们希望，通过我们的研究和可视化的工作，帮助公众更深入地去了解脊椎动物的演化过程，了解鱼类从水到陆生活的演化历史。谢谢大家。