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2022-2023

王博:琥珀:时空胶囊 |2022年·第6期
发布时间:2022-09-21    1550   

以下内容来自墨子沙龙线上讲座(2022年6月),演讲者是中科院南京地质古生物研究所王博老师。


说起琥珀,我想大家都不陌生——大家在逛商场和旅游景区的时候会经常碰到它。琥珀是大家在日常生活中经常见到的一类有机宝石。在我国的民间,琥珀常被赋予了一层神秘和独特的色彩。然而在科研人员的眼里,琥珀就是一类特殊的化石。我们平常所见到的松树、水杉都可以产生树脂,它们经过长时间的变化以后就形成了琥珀。


一般来讲,当松树、杉树等分泌的树脂沿着树皮往下滴落的过程中,在一些非常偶然的情况下,会包裹进去一些小的昆虫例如苍蝇,或者鸟的羽毛,甚至一些蘑菇、小草等生物体。这些树脂被埋入到土壤等沉积物质中,经历了几千万年,甚至几亿年的地质作用以后,就形成了琥珀。琥珀其实就是植物树脂的化石。琥珀也是我长久以来的一个研究方向。很多人问我研究琥珀有什么用,这也是我的报告要给大家解答的内容。


当我还是个研究生的时候,我研究的标本主要是来自岩石中的化石(右图)。岩石中的昆虫标本,是扁平的、二维的,就像压在一张纸上一样。这样的化石,丢失了很多立体的形态,还有一些细节,我们是看不出来的。在研究生阶段,我查了很多资料,也看了很多来自我国东北的标本,建立了一类新的蝉的分类——华翅蝉科。它的头部和生殖器的结构,对它演化非常重要;但很可惜,从岩石标本上看不到这些细节的形态结构。当时我非常着急,但是也没有办法,因为华翅蝉的化石只保存了这些信息。


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(左:琥珀,右:岩石中的化石)


后来在很偶然情况下,我在缅甸琥珀的一块标本之中,也发现了一个几乎一模一样的标本(左图)。当时我看到这个标本以后非常兴奋,因为琥珀里面保存的昆虫等生物体都是三维结构的,而且非常的精细,所以这枚标本就回答了我长久以来所要解决的一些问题。


琥珀中的标本能够精细到什么程度?这里给大家展示一张琥珀里面保存的蛾子的标本,它的翅膀上有非常多的鳞片,我们乍眼一看,好像都是些细毛,其实都是一些不到0.1毫米的鳞片。这些鳞片的细节结构也都被保存下来,所以琥珀能够保存的信息是非常多的。当时我就决定博士毕业以后,要从事琥珀方面的研究。


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但在十年前,我们国内只在抚顺发现了含虫琥珀,而且已经很多年没有人研究了。所以我的导师就建议我去抚顺,一是收集资料,二是去查看一下当时琥珀的出产,还有埋藏的情况。


后来在收集琥珀中,我发现有一类琥珀在当地也当做抚顺琥珀卖,但是从颜色和内含物中看,它都和典型的抚顺琥珀不一样。后来我们才知道,这些琥珀是来自缅甸北部克钦邦的缅甸琥珀。因为当时抚顺琥珀的价格非常贵,而缅甸琥珀的价格非常便宜,所以很多人就把缅甸琥珀当作抚顺琥珀卖。但是从它的质地,还有里边含的昆虫,很容易把它们分辨出来。


缅甸琥珀所处的时代大概是在白垩纪的中期,也就是一亿年前。缅甸琥珀的开采也已经进行了好多年。这张图片展示的是大概十年前缅甸琥珀的采集情况。缅甸琥珀的采集,主要是在旱季——因为当地是热带雨林气候,雨季天天下雨,矿工很难工作,所以只有到旱季的时候,大家才从周边地区跑到矿区进行收集。收集的时候条件也比较艰苦,大家要通过打竖井,或者挖很大的洞才可以开采这些标本。


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但是收集起来的琥珀,大部分是没有昆虫等内含物的,都作为首饰销往中国,所以大家在一些商店里经常能见到。但是一小部分琥珀保存了非常精美的昆虫、植物,还有各类各样的动物,比如说我们在其他琥珀里非常罕见的螃蟹、蝎子和蜗牛等。特别是蝎子和蜗牛,在缅甸琥珀是比较常见,而且类型也非常多,为我们了解这些动物的演化提供了很好的信息。另外还保存着大量的一些脊椎动物,比如说鸟、蜥蜴、青蛙等都有发现。


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缅甸琥珀还保存了我们先前没见到过一些生物,比如说这是一只带尾巴的蜘蛛,我们现在见到所有的蜘蛛,首先是八条腿,第二它没有尾巴。但是我在一亿年前缅甸琥珀中所发现了一类最原始的蜘蛛,它就带有长长的尾巴。这就说明最早的蜘蛛是带尾巴的,只不过是在随后的演化过程中,尾巴对它的作用不太大,就慢慢地消失了。

琥珀就像一个时空胶囊,封闭的一个远古的小小的三维场景,它又像一架时光照相机,将古代一个非常短的时间内发生的场景给捕获下来。


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比如说这张图所展示的,在图中间是一个豆娘的标本。豆娘可能大家不是太了解,豆娘和蜻蜓非常像,但个头比蜻蜓小一些,我们经常会把豆娘和蜻蜓混在一块儿。另外豆娘在休息的时候,翅膀是叠在身后的。我们在缅甸发现的这类豆娘非常特殊,雄性的个体长着非常大的脚,而雌性的豆娘的脚是正常的。这类豆娘现在还生活在缅甸等东南亚地区,在交配的时候,这类豆娘,特别是雄性,会在空中不断地飞舞,展示各样的动作,来利用它的大脚,展示不同的舞蹈效果。谁的脚大,谁的活动能力更强,就越容易受到雌性的喜爱。通过缅甸琥珀,我们就可以追溯到,原来这类独特的求偶行为在一亿年前就已经出现了。这种记录是非常罕见的,一般的化石无法提供这种行为学上的证据,但是琥珀却可以提供很好的证据。


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我在研究琥珀的时候,就感觉自己像私家侦探一样,通过琥珀保存的信息重建各类动物曾经的行为和样貌。比如这张图片展示的是一个介壳虫妈妈的化石。左图绿色背景的图是雌性的介壳虫,背上长有蜡质的保护层,腹部有一个很大的卵囊,里面有几十枚已经孵化出来的和没有孵化出来的卵。卵囊的周围,还有六只刚刚孵化出来的小介壳虫。这个标本同时保存了介壳虫妈妈,还有它的卵和刚孵化出来的小介壳虫,表明小介壳虫可能是在前几天一直受到妈妈的保护,等到它们长大了,可以有一定自理能力和自我保护能力的时候,才能离开妈妈。


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通过这个标本我们就重建了一个远古时期育幼的行为。育幼行为是一个很特殊的社会性行为的前奏,最典型的就是我们人类。人类具有复杂的社会性,而育幼行为是社会构成的一个基础。通过我们的标本就发现了这种育幼行在很古老的昆虫中就已经具备了。这些证据,只有在琥珀里,我们才能把它完整地揭露出来;在其他的岩石标本,我们很难得到相关的信息。


行走的“垃圾桶”

除了育幼行为,昆虫在自然界中也演化出了一些很奇特的伪装行为,比如图中的这些昆虫,它们有时候会把一些植物碎屑以及沙粒,甚至蜗牛壳等背在自己身上,达到伪装效果。这个效果,就像解放军战士穿上了迷彩服一样。这种行为看起来很简单,但实际上是很复杂的。


如果想具有这种行为,需要有下面的几个要素,第一个需要这些昆虫的智商必须要足够高,因为每种昆虫携带不同的伪装物,昆虫首先要认识自己的伪装物,它的智商要足够。第二昆虫不像我们有手有脚。昆虫如果想把它的伪装物背在自己身上,首先它需要有特殊的身体结构,把这些伪装物准确的放到自己的身上,比如说用它的大牙把伪装物往上抛到自己的背上,或者用自己的前足或后足,把伪装物往上抛。另外,它背上这些伪装物以后,也需要背上一些特殊的粘液,或者倒刺结构,能够把这些伪装物放到自己的身上。然后,它在移动的时候,还可以背着自己的伪装物往前走。


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所以说这种伪装行为,相对来说是非常复杂的。先前人们一直认为这种伪装行为演化得非常晚,但出乎意料的是,我们在一亿年前的缅甸琥珀之中就发现了几类昆虫,它们演化出此类复杂的伪装行为。这里面展示的就是几个蛉类的幼虫,比如说左图上的蛉类幼虫,它的背上的伪装物就是一些沙粒。表明这类蛉类幼虫主要生活在沙滩上等环境之中,或者一些沙地上。而中间这个伪装物就是一些植物的碎屑,说明这个蛉类的幼虫,可能生活在植物的碎屑层。所以通过伪装物,我们也可以知道昆虫生活的环境。另外这些蛉类幼虫都具有很大的大牙,学名称为大颚,也就表明了它们平常主要是以捕食其他猎物为生的。它们用这些伪装物可以达到一举两得的作用。首先,它可以迷惑自己的猎物。另外,它也防止被其他的更大型的昆虫、鸟类、蜥蜴等发现被捕食。所以说既隐蔽了自己,也方便自己捕食。


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除了这些蛉类幼虫,我们也发现了很多猎蝽。蝽类是平常见的,我们叫做臭大姐,而一些独特的捕食性的蝽类,叫做猎蝽。它们的幼虫,也喜欢把一些伪装物背在自己身上,左上角展示的这个现生的猎蝽,就是把一些沙粒背在自己的背上。右边的这三个黄色背景的图,是缅甸琥珀里面的标本,不同的猎蝽幼虫,有的背的沙砾,有的背的各种碎屑,因为它们生活环境不同,所以背着不同的伪装物。


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因为它们经常背着这些伪装物,所以大家平常就送给它一个外号——行走的“垃圾桶”当然并不是所有的猎蝽幼虫喜欢当“垃圾桶”,我们发现,对于同一类的猎蝽,有的时候是什么都不背的,说明了它当时的生存压力可能没有那么大,捕食它的敌人也没有那么多,它不需要整天背着一堆“垃圾”到处跑。整天背着伪装物也很累。所以有的猎蝽,就完全 “裸奔”了。


说到伪装,大家可能看到有一部很著名的电影叫《复仇者联盟》,那里是一个英雄的世界,在那里面,想当英雄有两种方法,富人靠装备,穷人靠变异。在昆虫世界要达到伪装,也是通过这两种方法,有的昆虫可以用外界的材料来达到伪装,而有的昆虫,就要想办法靠自身变异来达到。


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大概是在2015年的时候,有一位台湾的著名收藏家把这张照片发给我的时候,我当时觉得这个标本就是一个叶子压在了一个虫子上面,只是看起来有点特别,后来就没有当回事儿。大概过了一年以后,上海的一位收藏家,也把一枚类似标本的照片发给我以后,我才发现一年前我看走眼了,给人家鉴定错了。这个昆虫确实非常特殊,其实这不是一个叶子压在了昆虫身上,而是昆虫背部产生了大量的伪装物,让它们看起来就像叶子。我们在幻灯片里展示的左图就是这个特殊的蛉类幼虫,右图也是在缅甸琥珀发现的一类苔藓的叶子,两者是非常相似的,从大小来看,也是差不多的。后来就请我们单位的画师,画了一个当时的复原图,在图里面,右上角就是这个幼虫的样子,可以看到它大部分身体结构都掩盖到了伪装物之下,它通过自身的伪装,和当时的很多植物看起来非常相似,达到了自我保护的目的。


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但这种伪装,在现在的所有昆虫中都没有发现,只有化石才提供我们这些证据。大家想一下,如果没有这些化石,我们人类可能永远不知道,原来世界上还曾经存在过这么特别的一些虫子。


刚才我讲到的这些昆虫、羽毛主要都是陆地上的。在琥珀里,也会在非常罕见的情况下,保存一些水生的生物,甚至海洋的生物。说到这有人会提问,琥珀本来就是陆地上树脂形成的,你怎么说保存海洋生物?这个还真有,在前几年,我们就从缅甸琥珀里边儿发现了一类独特的菊石化石。菊石这类生物,现在还有近亲,大家看起来它带壳儿,现在近亲就是鹦鹉螺类。另外我们经常吃的墨鱼、乌贼、章鱼等也属于它的近亲,只不过是乌贼、章鱼的壳儿长到里边儿了。菊石是过去非常繁盛的一类海洋生物,但是在我们标本里,它却是保存在琥珀里。这个标本其实不大,长大概是三、四厘米,宽大概也就是两厘米左右,但是我们又把它称为一个海陆空的大混合。


因为这枚标本,大概保存了有40多个生物体,它在很小的一个空间里边儿就蕴藏了非常多的生物。这里有能飞的蚊子,还有一些小的蜂类,类似于蜜蜂的东西。另外还有地上爬的,比如说马陆,还有蟑螂。另外还有海里面生活的海螺和菊石。保存在里边生物是多种多样的,而且各类生活环境的生物都有。那它是怎么形成的?我们经过了沉积学和埋藏学分析,大致推断了一下它的形成过程。在当时的缅甸森林里面有很多的高大的、能产生树脂的松柏类的树,主要生活在海边,或者靠近海边的泻湖周围。可能在一次风暴过程中,海上的风暴把海边儿的或者浅海的一些菊石、海螺给卷到了岸边,甚至卷到了稍微往里的泻湖里面。然后这些标本被冲到了泻湖的边缘,在泻湖也就是池塘边上以后,很多树脂会滴落下来,滴落的过程中会再把岸边的一些在地上爬的生物,还有一些空中飞的小蚊子给吸引进来,一块儿被包进来,这样就形成了一个40多个生物体被包裹在一个小小的琥珀,这种极其罕见的现象。


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琥珀里生物体的保存情况也是各种各样的。《侏罗纪公园》里面谈到怎么复活恐龙——科学家用一根极细的针,从琥珀里的一个蚊子中把它吸的恐龙血提取出来,然后用这些血液里边的DNA来复活恐龙。但是从我们现在的研究来看,这种情况目前看还不太现实。因为琥珀里面的很多的大分子的物质或者DNA物质已经完全降解。但是我们仍然可以从琥珀里边能获取很多其他有用的信息。


要获取这些信息,我们要首先知道琥珀里的生物是怎么保存的。这张图就展示了我们最近所做的一个工作。我们有一些琥珀在磨制处理的时候裂开了。我们仔细一看,琥珀里边这些昆虫原来不是有机质的,而是被矿化的,有的是发生了玛瑙化。你们看的昆虫,其实是一个玛瑙形成的昆虫,它被矿物质充填了。


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琥珀是一个极其复杂的环境。后来我们就利用地质学的一些方法,重建了琥珀的形成过程——昆虫被束缚包裹之中,可能被搬运到近海或者池塘,然后再不断地被沉积物埋起来。沉积物越来越厚,在压实琥珀的时候,琥珀会形成大量的微裂缝,很多矿物质就沿着微裂缝流进,把以前包裹的生物体替换掉。


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但不管如何保存的,琥珀终究是展现了生物体非常复杂、非常精细的一些细节。在自然界,我们经常看到各类昆虫具有非常复杂的色彩,最经典的就是蝴蝶。蝴蝶能展示它的颜色有两种方式,一种是色素色,另外一种就是结构色,也就是物理色。结构色没有色素,主要是通过生物体表面的微纳结构对光的折射、散射等作用来产生的颜色。最明显的例子就是蝴蝶的鳞片。只要我们知道它的微纳结构,我们就可以用物理学的方法把它的颜色给呈现出来。


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因为色素这种物质很容易降解,在化石之中常常无法保存。但是在很多标本里,特别是琥珀标本,鳞片的结构是可以保存的。所以我们就用这种方法,将缅甸琥珀一亿年前蛾子的鳞片给提取出来,仔细地查看它鳞片上的微纳结构。我们知道它的微纳结构以后,通过和生物学家以及光学家合作,把鳞片的三维结构重建起来,然后利用光学模型,计算了它们当时可能存在的颜色。这张图就是一个一亿年前琥珀中保存的蛾子,右图是它的翅膀放大,上面布满了密密麻麻的小鳞片。我们重建的蛾子大概的颜色,并请复原图画师把它画出来。这也是我们目前已知的最古老的昆虫的颜色。


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大家可能看过很多的古生物的复原图,甚至很多纪录片上也有很多生物的颜色,都很漂亮。但很可惜,大部分的颜色都是我们或者复原图画师想象出来的,因为我们目前,还没有很好的技术手段,能把古代生物的颜色都给重建出来。我们现在真正见到的古生物世界还是黑白电视机的时代。但是通过这些古老的化石,我们可以用新的技术把许多过去所不知道的一些信息提取出来。我相信随着技术的不断进步,我们会把琥珀里边所蕴含的各种古代的颜色信息提取出来,让古生物世界从黑白世界过渡到真实的彩色世界。


先前提到了很多都是关于缅甸琥珀的,有人问我们国家琥珀怎么样?我们国家地大物博,化石也非常丰富,按道理来讲应该是琥珀很多。但很可惜,在先前很长一段时间我们国家真正发现的含虫琥珀产地只有一个,就是抚顺。虽然抚顺琥珀的研究的历史很早,但是由于日本侵华战争,抚顺琥珀丢失了大量的宝贵的化石资源。


但是最近,在福建漳浦地区发现了一个新的琥珀矿,叫做漳浦琥珀。漳浦琥珀的时代大概是在1500万年前,它比缅甸琥珀要年轻得多。虽然它年代很年轻,但是它处于时间段是非常重要的。从地质术语上讲,它是处于中新世的气候适宜期,当时的地球是一个温室效应时期,是我们最近的地质历史上一次非常重要的增温性事件。当时的二氧化碳比现在的含量要远远高得多,而且当时的全球平均温度,要比现在高三到七度,这个和我们人类目前预测2100年的地球非常相似。


因为现在地球正在经历明显的温室效应,这会对地球的环境还有生物造成如何的影响是全世界人类共同关心的话题,也是很多科学家所力求解决的问题。通过化石,我们可以看一下在过去地球发生温室效应了以后,生物和环境会发生怎样的变化。漳浦琥珀生物群就给我们提供了一个很好的证据。因为过去是了解未来环境变化的一把钥匙,而化石无疑是其中最重要的一把。


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这是一块漳浦出土的琥珀原石。琥珀的原石比较黑,并不是透明的,不像商店里看到那种琥珀一样晶莹透彻的。它表面有很多包裹物,拿回来以后,我们需要进行切割、打磨,才逐渐的让它原始的光泽体现出来。漳浦琥珀在经过大量的打磨处理和抛光以后,可以得到非常透明的材料。通过这些材料,我们可以看一下1500万年前温室效应下,漳浦当地的气候和生物群的面貌。通过我们的研究发现,当时漳浦的植物群代表的是一个热带雨林生物群。这个热带雨林的环境,就和现在的泰国中部、印度的中部,以及恒河三角洲的环境是非常相似的。当时的漳浦、厦门地区是一个热带雨林的环境。


另外漳浦生物群里边,还有大量的昆虫等化石。我们收集了大量的漳浦琥珀。这是一块比较大的原石,大量的琥珀镶嵌的泥土之中,这些琥珀经过打磨之后,就会产生很多的我们可以看出来的内含物。在漳浦琥珀里边儿出产了大量的昆虫、植物等,它们大部分的种类都生活在现在的东南亚地区。由于漳浦琥珀的保存,是非常精美,所以我们才可以把它们和现生的昆虫、植物进行对比。这张幻灯片展示的是漳浦里面一个蚂蚁化石,蚂蚁身上有很多细毛,保存得非常精美。在它的腹部,还有两根刺凸也是很明显的,另外在它的头部,还有背部,有大量的皱纹。这个不是化石形成的,是蚂蚁本身就具有的结构。在蚂蚁周边,还有一些小的气泡,这也是漳浦琥珀的一个典型特征。


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漳浦琥珀保存精美到什么程度呢?这张幻灯片就展示了一张漳浦琥珀里的蚂蚁和一个现生的蚂蚁,它们是同一个种类的。左图是漳浦琥珀里边的蚂蚁,右图是我们现逮的一只蚂蚁。大家可以看到琥珀里边展示的细节是非常精细的,就和一个现生的蚂蚁差不多了,包括上面的细毛,还有大颚的一些齿,都保存了下来,这些很好的材料给我们提供了大量信息。


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这些标本也证明当时的漳浦是一个热带雨林的面貌。这些结果为我们预测未来的气候变化、生物变化提供一些参考。比如说我们国家未来如果再升高7度,会不会东南亚的一些害虫、益虫,甚至一些植物,会自然而然地迁移到北方?


漳浦琥珀除了环境方面意义,它本身也是一个非常珍贵的宝石资源。我们现在存在世界四大琥珀生物群。琥珀生物群的判定主要是根据琥珀里节肢动物的多样性。最丰富的缅甸琥珀里发现了近600个节肢动物科,波罗的海琥珀也发现了近600个节肢动物科。我们国家的漳浦琥珀居于第三位,目前已经发现了节肢动物大概有250个科。另外一个多米尼加琥珀,和漳浦的时代是非常相近,发现了约200个科。所以,从生物多样性上来看,漳浦琥珀是名列世界第三的——这是非常难得的。因为对波罗的海琥珀的研究已经有至少200年了,缅甸和多米尼加琥珀也都经历了六七十年的研究历史。而漳浦琥珀,仅仅只发现了十年,它的多样性已经这么高了。我相信随着科研人员继续的研究,我们会把它的多样性逐步的提高,让它的意义更好地发挥出来。


到这里我的报告已经结束,最后我需要回答一下我最开始提出的问题,我们研究琥珀到底有什么用?我想通过这个报告,大家已经了解到琥珀里面蕴藏的信息是非常丰富的。我们可以通过研究琥珀,来了解过去的生物到底是长得什么样子,同时也可以了解过去的环境是什么样子。这些信息为我们了解现代的生物面貌是怎么形成的,也为保护现在的生物多样性和环境提供了很好的借鉴。琥珀里面还蕴藏了非常丰富的我们现在还不知道的一些信息。以我们现在的技术,我们只能解密“时空胶囊”里面非常少量的信息。随着技术的不断进步,我们肯定在未来能从中获取更多的信息,因此这更需要我们保护和善待这些琥珀资源。我的报告到此结束,谢谢大家。



作者简介

王博,中国科学院南京地质古生物研究所研究员。现任南京地质古生物研究所所务委员、学术委员会副主任、古无脊椎动物室主任。主要从事深时陆地生态系统和琥珀生物群研究。发现了国内多个琥珀生物群,阐明了抚顺和漳浦琥珀生物群的多样性和古生物地理、古气候意义;刻画了中生代若干关键时期陆地生态系统的面貌,初步揭示了现代陆地生态系统的起源和早期演化。现任国际古昆虫学会副主席、国际琥珀理事会常务理事、中国古生物学会古无脊椎动物分会理事长、《古生物学报》副主编。先后获得德国洪堡学者、青促会首批优秀会员、基金委优青、基金委杰青、中科院青年科学家奖的资助和奖励。