地球生物学（Geobiology）—充满挑战的新领域

日期 2005-09-22　来源：情况交流　作者：地球科学部刘羽姚玉鹏，国际合作局陈淮　【大中小】　【打印】　【关闭】

　　2005年8月17日，国家自然科学基金委员会陈宜瑜主任会见了应邀来访的耶鲁大学生物圈研究所（Yale Institute of Biospheric Studies）所长、耶鲁大学地质与地球物理系教授、英国皇家协会会员Derek E.G..Briggs和美国布莱恩特大学副教授、美国布莱恩特大学美中研究所所长、美国美中全国关系委员会（National Committee on U.S.-China Relations）委员杨洪博士一行。　　Briggs博士一行就推动中美优秀青年学者互访及中美如何共同推动地球科学和生命科学的交叉研究，既地球生物学（Geobiology）研究等，与陈宜瑜主任进行了广泛而深入的交流和讨论。陈主任指出我们目前在该领域面临的机遇和挑战，希望Briggs博士和杨洪博士的学术报告能带给我们一些新的理念，共同推动地球科学和生命科学实质性的交叉、整合。自然科学基金委地球科学部、国际合作局和生命科学部相关同志参加了会见。之后地球科学部柴育成副主任主持了学术报告会。与会的委外专家有来自北京大学、清华大学和中国科学院古脊椎动物与古人类研究所等单位的专家和学者。此次访问，对促进中美优秀青年学者互访及中美共同推动地球科学和生命科学的交叉、整合具有积极的作用。Briggs博士和杨洪博士的报告从以下几方面介绍了Geobiology的最新国际前沿动态及面临的机遇和挑战：一、地球生物学（Geobiology）形成背景　　Geobiology是伴随着新技术的发展和一些大型计划如大洋钻探计划（ODP）和人类基因组计划（HGP）等一系列新发现而产生的新领域，人们开始重新审视传统的理论模式，提出新的理论框架，在新的理论框架下，提出了新的单一学科难以解决的科学问题。这要求科学家拓宽思路，从新的视角—既地球科学和生命科学交叉、整合来进行研究。二、地球生物学（Geobiology）的研究方向　　Geobiology运用新技术和新方法，从新的理论、新的视角给一些传统学科注入了生机与活力。Geobiology研究方向包括以下9个方面： 1.生命的起源和演化（Origins and evolution of life）；2.大气圈、水圈和生物圈的演化（Evolution of the atmosphere, hydrosphere and biosphere）；3.地球演化关键转折期沉积岩石记录和生物（The sedimentary rock record and geobiology of critical intervals）；4.古生物学和演化生态学（Paleobiology and evolutionary ecology）；5.环境地微生物学（Environmental microbiology）；6.生物地球化学和全球元素循环（Biogeochemistry and global elemental cycles）；7.微生物－矿物相互作用（Microbe-mineral interactions）；8.生物标志物（Biomarkers）；9.分子生态学和谱系演化（Molecular ecology and phylogenetics）。三、地球生物学（Geobiology）主要研究领域（一）地生理学（Geophysiology） 1.生物和大气的相互作用，如由生物活动产生的气体；2.生物水圈和冰圈的相互作用，如海洋营养机制、极端环境、生物矿化作用；3.生物－土壤/沉积物相互作用，如生物侵蚀、深部生物圈、地微生物学等。（二）生命演化与环境（Evolution of Life and Environment） 1.生物圈的形成，如生命的起源、生物圈的建立 1）实验模拟――聚合物复制、有机化合物分馏、能量来源、代谢演化路径；2）寻找简单的有机复制聚合体；3）从原始的有机溶液向以RNA为基础的生命形式的转变；4）陨石中的证据；光合作用产生氧气引起的大气圈的改变；5）厌氧状态中微生物呼吸所利用和建立的条件；上述过程中的化石记录证据，有机化合物（生物标记物）和同位素的地球化学记录。 2.生物圈的演化，如大气氧的富集、雪球地球的形成、生物环境效应。主要研究由光合作用引起的氧化作用；由碳分馏造成的同位素印迹；晚新元古代冰川作用对早期后生动物辐射的影响；雪球事件；由微生物起始，继而是后生植物的陆生生物；生物建立起适合自身的反馈环。 3.突变事件，如生物绝灭及辐射，极端环境事件。对经典剖面进行高分辨率研究，探索生物演化历史上这些重大事件的起因和结果；以中－美化石记录的优势展示生命演化的五个关键转折时期：新元古代、二叠纪－三叠纪，中生代现代陆地生态系的起源；新生代哺乳动物的演化；更新世气候的变化（三）全球变化的地球生物学（Geobiology of Global Change）　　主要研究全球碳循环、化石燃料；全球变化和生物与环境的相互作用，生物对全球变化的反馈，生物对地表过程（包括大气）的影响，了解地球过程为解释其他星球上可能的生命证据提供科学基础，地生物学用于寻找地外生命。四、分子水平上的地球生物学　　在分子水平上研究地球生物学的意义在于能为宏体生物和地质分析提供补充、对传统的假设提供独立的验证、提供遗传学、生理学和生态学信息、有利于进行定量的高分辨率的研究及富含有大量机制和过程的信息。应用于分子水平地学生物学研究的材料主要来源于1.古代材料：富含有机质的沉积物；特异埋藏的化石；2.现代生物：具有地质意义的现代生物及分子，如分子生物钟、活化石、微生物。研究对象为起结构支撑作用的高分子聚合物、新陈代谢的脂类分子、氨基酸、蛋白质和核酸(DNA和RNA)。研究技术与方法：1.有机地球化学的方法，采用GC-PY, NMR, GC-MS的方法萃取、分离和甄别有机化合物；2.同位素地质学，利用GC-C-IRMS检测单分子有机化合物的同位素；3.分子生物学，利用独立培养的方法对DNA进行萃取、分离和PCR扩增；通过克隆进行分子测序。　　通过现代生命科学的技术和手段，我们可以获得遗传学鉴定、系统关系、遗传机制和基因组信息；通过地球科学的方法和手段，可以研究古生物的种类、其生物化学途径及稳定分子和同位素的信息。古DNA研究是联系古代和现代生物的纽带，并提供绝灭生物独一无二的古代生物遗传学信息。古DNA是理解谱系演化和遗传学的关键，既可达到地球科学与生命科学间信息互补。五、目前该领域科学家共同关注的科学问题　　1.不同环境微生物的丰度、分异度和分布；2.微生物和它们的生物化学过程是如何影响生物侵蚀、生物修复、生物矿化及有机分子和同位素信息的保存；3.微生物以什么方式改变着不同圈层的环境化学特性，这些信息如何以分子和同位素的方式保存在地质记录中；4.基因是以什么方式影响着生物合成和代谢途径，在地质历史时期，我们如何检测这种影响；5.这些基因和蛋白质水平的生化功能如何影响地球演化进程、改变环境从而有利于资源富集。六、地球生物学（Geobiology）面临的机遇和挑战　　地球科学和生命科学交叉引起知识和技术上的挑战，同时也带来巨大的机遇和潜在的科学突破。地球化学和分子生物学方法的整合提供了非常有竞争力的条件；地球科学和生命科学领域都有成熟的技术，但需要较好的整合。当前面临的挑战是：1.理论框架还有待于进一步完善；2.用于研究的材料有限、具有真正学科交叉研究能力的学者还远远不够；3.地球科学和生命科学作为两个不同的领域，有着各自独立的分析系统和研究尺度，如何更好的交叉、整合，还有待进一步探索；4.研究的科学问题、范畴还待进一步凝炼。七、建议　　充分利用地球科学和生命科学交叉和技术上的优势，聚焦在地球科学和生命科学独自无法解决的科学问题上，鼓励密切的、实质性的跨学科交叉、整合；培养具有多学科背景的综合型青年科学家；建立包括国际合作在内的各种合作机制。　　此外，美国基金会地球科学部于2004年8月正式将其单独列为一个项目组（Program），给予稳定支持。建议我委也能抓住这一科学机遇，鼓励交叉，将其正式单独列为二级学科。