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概況介紹

  20015月進入中國科學院知識創新工程試點以來,古脊椎所加強了基礎性、原創性研究工作,取得了一批重大成果,有力地推動了我國古脊椎動物學與古人類學研究走向世界、占領國際學術前沿的進程。2001-2020年研究所共發表SCI、SSCI論文1611篇,其中含《Nature》和《Science》雜志論文113篇,出版專著111部。若干成果在國際古生物學界產生了重大影響,進一步彰顯了研究所作為國家專業研究機構的綜合實力。 

  一、“早期脊椎動物起源與演化研究”方向 

  研究團隊重點在“硬骨魚綱起源與早期演化”、“四足動物起源”和“頜起源與有頜類早期演化”三個方向開展野外考察發掘及室內研究工作,深入探討演化生物學關鍵問題,并為生物地層學等相關研究方向提供實證,涉及的化石門類主要包括盔甲魚類、盾皮魚類及硬骨魚類,研究成果在世界上產生了重大影響,鞏固了中國早期脊椎動物研究在古生物學研究領域的國際前沿地位。 

長吻麒麟魚正型標本、高精度CT重建與生態復原

  二、中、新生代魚類研究成果 

  在我國云南、貴州中三疊世海相地層中發現并命名了大量新鰭魚類和龍魚類新屬、種,為了解古特提斯洋東西兩側輻鰭魚類各主要支系的起源和輻射演化提供了新的證據。重建了較完整的早期新鰭魚類進化樹,修訂了疣齒魚科、肋鱗魚科、盧加諾魚科和拱魚科的定義,完善了早期新鰭魚類的分類體系。根據羅平強壯魚和興義亞洲鱗齒魚等的詳細研究,提出華南可能是近鯡形類預言魚目的起源中心。根據新疆中三疊世阜康魚頭骨內部解剖學特征的研究,提出斯堪尼亞魚目是腕鰭魚次亞綱干群的新觀點。發現迄今最古老的卵胎生新鰭魚類光澤肋鱗魚和最古老的疣齒魚類云南暴魚,更新了我們對早期新鰭魚類的繁殖策略和生態適應的認識。新建鯉形目一新科江漢魚科,命名骨舌魚類兩新種:三水金龍魚和中華金龍魚。 

云南暴魚(上)與其他羅平魚類(下)體型比較

興義飛魚復原圖

  三、低等四足動物研究 

  兩棲類和低等四足類研究方面,在野外工作基礎上研究人員對燕遼和熱河生物群中的相關材料進行了詳細的研究。報道了遼寧建平多趾多肢畸形的天義初螈并推測地區性環境因素可能是畸形發生的主要原因,重新修訂了熱河生物群早期的有尾類分子圍場皇家螈的形態學特征,對天義初螈的模式地點新材料的研究顯示天義初螈并非隱鰓鯢科的最早代表;根據目前中國保存最完整的侏羅紀有鱗類骨架建立了謝氏紅山蜥,厘定了熱河生物群早期代表重要的有鱗類分子——矢部龍屬并報道了被小盜龍吃進肚子中的王氏因陀羅蜥;命名了中國首個也是最早的侏羅紀離龍類骨架——侏羅青龍,以及目前中國最晚的離龍類屬種——侏儒黑山龍。對中國其他地區產出的兩棲類和小型爬行類的研究,首次發現報道了中國古近紀蛙類——中國三水蟾,填補了這一時期我國無尾類演化的空白;修訂補充了中國晚白堊世、古新近的有鱗類屬種的形態學和分類學。 

  四、中生代恐龍及翼龍研究 

  中國具有世界上最連續的中生代陸相地層,是恐龍及翼龍研究熱點地區。研究小組近年來針對我國云南、寧夏的侏羅系地層,新疆、甘肅、浙江、山東、山西等地的白堊系地層進行了大量野外工作,采集到一批重要化石材料,在恐龍各個類群的形態學、分類學、系統學和形態功能及古生態學研究方向取得了一系列重要成果:早侏羅世祿豐動物群中命名了兩個基干獸腳類新屬種;通過贛州晚白堊世胚胎化石研究,首次記述竊蛋龍類個體發育特征;在新疆發現數百枚翼龍蛋并首次發現3D翼龍胚胎,證實翼龍具有相對早熟的胚胎發育模式,首次揭示了翼龍生長發育史;化石特異埋藏特征顯示大型湖泊風暴事件導致翼龍集群死亡并短距離搬運快速埋藏;命名了新的尾羽龍——干戚刑天龍。

  五、熱河生物群和燕遼生物群研究 

  形成于中—晚侏羅世的燕遼生物群和早白堊世的熱河生物群是兩個世界級的化石寶庫,也是當今地球科學研究中最具活力的研究熱點區域之一?;诙嗄陙硐到y的野外地質調查和發掘,特別是與其它地質學科(如沉積學、地球化學、同位素年代地層學)和現代發育生物學的融合,研究團隊取得了一系列原創性成果,重要的發現不勝枚舉。首次發現具有膜質翅膀的恐龍,小盜龍的食性,最早的今鳥型類,最古老的鳥類食團,最早鳥類的肺部化石等;具有膜質翅膀擅攀鳥龍類恐龍的研究,揭示了在恐龍—鳥類演化歷程中出現大量適應飛行的嘗試,演化出表皮衍生物組合;對熱河生物群不斷發現的鳥類化石進行的系統古生物學研究,豐富了原始鳥類物種和生態多樣性,建立了中生代鳥類系統發育框架,重要類群的起源和分異時間;對鳥類胸骨的骨化模式提出新的假說,特別是提出近鳥龍和會鳥不具有骨化的胸骨;證實了現代鳥類消化系統的主要特征在早白堊世已經出現;利用相關技術,在早白堊世羽毛中檢測到羽毛角蛋白等。這些重大發現和研究成果為討論鳥類起源和早期演化提供了依據,也使研究團隊成為國際古生物領域最為活躍的團隊。 

彌曼始今鳥生態復原圖

  六、新生代鳥類研究 

  近些年,我國新生代鳥類化石研究的熱點地區集中在我國西北地區的臨夏盆地以及青藏高原。臨夏盆地的鳥類化石和著名的“三趾馬動物群”同層,都來自晚中新世的柳樹組沉積,已經報道的種類包括了雉雞類,隼類,沙雞類以及鷲類。這些新的發現為晚中新世我國西北地區的古生態重建,提供了進一步的證據。例如干旱臨夏鳥(下圖所示)指示了臨夏地區在晚中新世存在干旱開闊的生態環境,作為最古老的亞洲沙雞科化石記錄,提供了沙雞科從非洲起源,隨后擴散到亞洲的時間線索。新生代鳥類研究的另一個重要方向是全球的水禽:在我國青藏高原上第一次發現了更新世的翹鼻麻鴨,顯示高海拔地區的鳥群已經有很長的歷史。此外,在我國內蒙古二連盆地額爾登敖包剖面中始新世早期地層發現似Ameghinornithid鳥類,這類化石原來在埃及法尤姆早漸新世地層中發現,這是此類化石在亞洲的首次報道。 

臨夏鳥化石照片和CT復原

  七、中生代-古近紀哺乳動物及生物地層學研究 

  長期以來,中生代哺乳動物研究成果卓著。該研究領域繼報道世界上第一件對齒獸類骨架、世界上最大的捕食恐龍的哺乳動物、最早的滑翔哺乳動物等具有時代意義的成果之后,又發表胡氏遼尖齒獸、金氏樹賊獸、神獸、仙獸等對于哺乳動物早期演化具有重大指示意義的一系列化石材料,近年來發表的新材料進一步完善了對中生代哺乳動物組成及特征演化的認識。在古近紀若干哺乳動物類群的起源和演化研究方面取得突破性進展:通過阿喀琉斯基猴的研究,把類人猿的理論起源時間向前推了1000萬年;重建了闊鼻猴類和狹鼻猴類類人猿祖先類型的腦的特征,分析了類人猿腦的增大過程,進而探討了“人類類型的腦從何時開始區別于其它類人猿、以何種速度增大、以及從何時開始可以稱之為人腦”的問題;在嚙形類起源方面,研究小組深入探討了其早期系統發育關系,建立了相關的譜系,進一步證明了亞洲是嚙形類起源和早期演化中心,并且從解剖學的角度詳細研究了相關骨骼特征的演化,使我國在這一領域的研究繼續保持了國際水平;內蒙古阿拉善左旗烏蘭塔塔爾動物群新化石材料發掘與地層學工作顯示,該動物群的連續化石記錄涵蓋了晚始新世和幾乎全部漸新世,為這一關鍵時期哺乳動物演化提供了準確的地層框架;內蒙古二連盆地古近紀奇蹄類化石的研究,修訂了對額爾登敖包剖面的巖石和生物地層對比,同時推斷中始新世早期到晚始新世奇蹄類的多樣性逐漸降低可能與始新世全球氣溫逐漸變冷有關。

李氏源掠獸

  八、新近紀哺乳動物及生物地層學研究 

  新近紀是地質歷史上一個重要的時期。從這一時期開始,全球氣候及海陸分布逐漸開始向現代格局靠攏,哺乳動物的現生科級分類群也都在這一時期全部出現。中國新近紀地層發育良好,哺乳動物化石豐富。近年來研究小組開展了廣泛的野外調查,又發現了大量新的化石地點與標本,哺乳動物各門類的演化序列不斷完善。對新近紀哺乳動物各門類的研究從傳統古生物學向利用新技術、新方法、多學科的綜合研究方向發展。近幾年來對新近紀哺乳動物化石材料的研究成果頗豐。中國的新近紀生物年代系統已被國內外的權威專著作為亞洲的標準予以采用,也為國內科研、生產和教學單位廣泛引用。 

契考三趾馬化石及復原圖

  九、第四紀哺乳動物與生物地層學研究 

  第四紀全球氣候周期性和階段性的變化是當今世界科學研究的一個前沿熱門課題之一。由于我們生存的時代仍處于第四紀當中,對于第四紀古氣候發展和演變的研究不但能解釋我們所處環境的直接由來,更是能借此推斷我們生存環境未來的走向。通過廣西左江流域生物地層學和年代學的研究建立了我國南方更新世早、中、晚期巨猿-中華乳齒象動物群—大熊貓-劍齒象動物群(狹義)—亞洲象動物群的演化時序;依大連駱駝山地區動物群和年代學的系統研究,首次建立了中國東北地區晚新生代洞穴、裂隙堆積的時序;在重點區域第四紀生物地層系統綜合研究中,發現了江南中華乳齒象、楊子長毛鼠等新的化石種類。 

    

  十、中國古人類起源與演化的研究 

  中國作為世界上古人類化石資源最為豐富的地區之一,其人類演化研究一直受到國際學術界及公眾的關注。近10年來,研究團隊在直立人和智人起源和演化,尤其是古老型人類的演化地位、現代人起源與擴散領領域開展了大量野外調查、發掘和研究工作,發現多處新的古人類化石地點,并取得了一系列新發現和認識。

道縣福巖洞發現的47顆早期現代人牙齒化石

  十一、古人類生存行為及影響因素研究 

  更新世人類生存適應行為及影響因素是當今國際學術界研究的前沿與熱點。近年來,研究團隊進行了大量的野外調查和發掘工作,獲得數萬件古人類活動遺物及各類年度、環境等測試樣品。系統揭示百萬年前泥河灣盆地飛梁與麻地溝遺址的成因和生存行為特點;全方位描述了丹江口庫區阿舍利大型工具的特點;完成了河南許昌靈井遺址形成過程與古人類石器技術研究,并對該遺址古人類骨器技術與人工刻劃痕跡等信息進行系統揭示。立足考古學證據,結合古人類學、古DNA證據論證了早期現代人擴散的北方路線,對現代人擴散北方路線的路徑、生存適應方式進行了研究。發現和發掘的尼阿底遺址(4600米)是西藏首個具有確切地層和年代學依據的舊石器時代遺址,將人類首次登上青藏高原的歷史推前到距今約4萬年前,是世界范圍內史前人類征服高海拔極端環境的最高、最早紀錄。對舊石器時代遺址出土的動物骨骼進行了系統的埋藏學與動物考古學分析,在考古遺址埋藏過程、現代人類行為起源、資源強化與廣譜革命以及舊石器時代骨角器制品技術水平、文化源流等學術問題的研究方面取得了一定的原創性成果;同時,在骨骼表面痕跡三維重建、牙齒堊質切片、燒骨技術分析、地理信息系統與動物考古學研究結合等新的學科技術手段方面也進行了有益的探索與嘗試。 

 

  十二、古DNA方向研究新進展 

  DNA是揭示人群親緣關系的最直接證據之一,通過提取、測序、分析史前人類與伴生物種的古DNA來復原現代人的起源、遷徙路徑、行為方式和生存面貌,成為人類學領域的最新熱點和前沿趨勢。近五年來,我所分子古生物學研究團隊立足我國豐富的人類化石資源,通過延展應用與共同創新古DNA技術,在東亞人群,尤其是中國早期人群的演化研究方面取得重要進展,其最新發現與研究成果為人類演化史帶來新的認識。 

  最具國際影響力的成果包括:解碼東亞最古老現代人田園洞人基因組,揭示東亞史前人群的多樣性與遺傳歷史的復雜性;首次正式發表東亞尤其是中國南北方人群規模性、系統性的史前基因組研究,揭示中國史前人群的南北分化格局、內部融合過程、遷徙擴散模式及人群的主體連續性,并證實南島語系人群的中國南方起源及遷徙流動在亞洲沿海人群史前史中所起的重要作用;從青藏高原白石崖溶洞的遺址沉積物(土)中獲得東亞首例丹尼索瓦人線粒體,證實丹尼索瓦古人類曾在東亞廣泛分布;捕獲測序中國南方11,000年前個體的線粒體基因組,發現其屬于未知現代人群M71d亞支系;系統總結農耕文化出現之前全球各區域現代人的遺傳演化特點,尤其是歐亞東部大陸自舊石器時代以來的多種古人群及多次大規模南遷活動,清晰梳理出史前人類在時間與空間上的發展脈絡。

  這些科學研究不僅填補了東方尤其是中國地區早期人類遺傳與演化的重要信息缺環,為探源東亞族群及豐富人類演化進程的細節知識和學術認知做出重要科學貢獻。

  十三、重大地質環境變化及脊椎動物協同演化 

  針對地球系統科學中生命和環境的相互作用與協同演化等重大科學問題,以具有中國地域特色的陸相地質記錄以及脊椎動物化石和人類遺存地點為研究對象,重點針對K/PG界限、PETM事件、中新世溫暖及降溫期,中更新世環境轉型等重大環境事件,探索脊椎動物演化的環境背景與制約因素,探討氣候環境演變與人類起源和演化的關系。代表性成果包括:從早白堊紀晚期發現的鴨嘴龍類恐龍牙齒中提取到植物表皮和植硅體殘留物,探討了植食性恐龍食性及禾本科起源關系;重建了中國北方地區中更新世氣候轉型及區域環境的演化過程,探討其與哺乳動物及人類演化的關系;重建了末次冰盛期以來東北地區古植被與古生態歷史等。

中更新世氣候轉型期中國北方生態環境、人類腦容量及泥河灣盆地石器技術變化

  十四、農業起源與文明交流 

  綜合考古遺址、文化層和自然沉積物中花粉、植硅石、淀粉等微體化石分析、古代炭化種子及木炭化石,穩定碳、氮、氧同位素及元素地球化學指標記錄,重建在末次冰期-全新世東亞、中亞、南亞等不同生態環境地區的早期農業社會形成與發展演化過程,人類利用野生或栽培植物資源的種類與方式,家畜馴化過程及形態演變,農業起源的驅動機制。探討水稻、粟、黍、小麥、大麥等馴化作物的形態、產量及全球品系的擴張、發展及演變過程,評估糧食生產社會的發展與成熟及其對文明起源的影響、氣候環境變化對古代人類社會的影響及人類適應。

中亞烏茲別克斯坦南部9000年前后的炭化大麥種子

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