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【環球科學】古生物研究學家:生物大爆發早于寒武紀?
2019-07-05 | 编辑: | 【

2019年7月5日 来源:环球科学

  

  本刊记者 罗凯  

  2011年的夏天,炎热的天气像往常一样笼罩着湖北三峡地区。陈哲和中國科學院南京地质古生物研究所的几位同事正在这边的山区里做野外考察。山里的居民常用一种黑色的片状石板当瓦片,斜着盖在房子的屋顶上,一层层的石板像鱼鳞一样装饰着山间的民房。

  當地沒有人注意這些石片的細節和紋理,也很難有人仔細端詳它們。但在經過一處廢棄的瓦片堆時,隨隊的關成國從其中一片石板上發現了異樣,那上面有一塊像芭蕉葉一樣的印迹,特別像化石。

  幾番觀察後,陳哲認爲這確實是化石,而且和來埃迪卡拉生物群中的厥葉蟲(Pteridinium)同屬一類。這是古生物學家第一次在國內找到可以與國際埃迪卡拉生物群相對比的化石標本,同時也結束了一段從20世紀50年代就逐漸被激起的渴望。要知道,自從首次在澳大利亞發現來自前寒武紀的埃迪卡拉生物群後,全世界30多個地方都相繼出現了可以與之對比的生物群,但是,唯獨中國一直沒有相關報道。

  有趣的是,中國並不缺來自埃迪卡拉紀的生物群,無論是最古老的以藻類爲主藍田生物群還是以基幹後生動物(現代動物的原始祖先,代表了動物這一支系從單細胞祖先演化成所有現代動物的最後共同祖先)和胚胎化石爲特色的甕安生物群,都早已聞名于世,唯獨缺少可以與世界上其他地方相對比的埃迪卡拉生物群。不過,即便這些生物群同屬于埃迪卡拉紀,它們也像一個個孤島,在生命演化史的長河中各自繁盛,又各自滅亡。它們的經曆與早期宏體生命的出現和演化息息相關,它們的習性或許可以解釋現生動物繁榮的原因,但它們的崛起和滅亡卻在殘缺的地史記錄中變得模糊,成了一段難以解開的謎。

  我们很想知道这些生物群之间的关系,也很想弄清它们与后续的寒武纪生命生物群之间有什么联系,如果能更进一步了解生命大爆发的真相,那就更好了。为此,我们采访了来自中國科學院南京地质古生物研究所的几位科学家。他们不仅有亲身经历三峡地区发掘过程的陈哲研究员,还有正在从事蓝田生物群研究的万斌副研究员,以及从事瓮安生物群研究的殷宗军副研究员。我们想和他们一起,试图还原藏在地球历史深处的那段故事。  

  《環球科學》:中國有哪些來自埃迪卡拉紀的生物群,分別是在哪裏發現的,其中有什麽代表性的生物麽?

  陳哲:古生物學家在中國發掘出了很多來自埃迪卡拉紀的生物群,按時代先後順序分別有藍田生物群、甕安生物群、廟河生物群、石板灘生物群和高家山生物群。藍田生物群出産自安徽休甯地區的藍田組,是最早宏體多細胞生物的代表,以藻類和一些可能的動物化石爲主。甕安生物群則主要産出于貴州甕安、開陽地區,主要以微體化石爲特征,包括可能的胚胎化石、藻類和低等動物。這個生物群的分布很廣,江西、湖北、陝西等地都有出現,時代上可能與藍田生物群相近或略晚。廟河生物群最早發現于湖北廟河地區的黑色頁岩中。化石以碳質壓膜的形式保存,以底棲固著的多細胞藻類爲主,也含有一些可能的後生動物和海綿化石。石板灘生物群則發現于湖北三峽地區,産出于灰黑色的灰岩中,包含了大量典型的軟軀體化石,可廣泛地與世界其他地區的埃迪卡拉生物群化石進行對比。相對較年輕的高家山生物群發現于陝西甯強地區,時代可能與石板灘生物群相當或略晚,以多種類型的管狀化石爲特征。  

  《環球科學》:有哪些生物群可以與國外發現的埃迪卡拉生物群相對比,對比時有什麽新的發現?

  陳哲:在中國衆多的埃迪卡拉紀生物群中,産自燈影組(5.5-5.4億年前)的石板灘生物群可以與國外廣泛分布的埃迪卡拉生物群進行對比。無論是時代、化石類型還是化石組合,都有很強的相似性。石板灘生物群中發現的軟軀體化石就與埃迪卡拉生物群白海組合和納瑪組合接近,其中有些化石還與世界其它地區産出的同類化石完全相同,比如盾盤蟲(Aspidella)、厥葉蟲(Pteridinium)、蘭吉海鰓(Rangea)、查恩盤蟲(Charnia)、狄更遜水母(Dickinsonia)、冬衣蟲(Hiemalora)。當然,石板灘生物群也有一定的特色,其中豐度最大的軟軀體化石是一種叫做霧河管(Wutubus)的生物,幾乎占軟軀體化石的40%。這種化石是我國特有的屬種,在國外還沒有報道,另外,石板灘生物群還有一個特點,遺迹化石非常豐富,類型也很多樣,甚至出現了以前認爲只有在寒武紀以後才會出現的足迹化石。  

  《環球科學》:在這些生物群中哪一個生物群的時間最古老,時代是怎麽確定的?

  万斌:在中国埃迪卡拉纪产出的这一系列化石生物群中,蓝田生物群的时代最古老,时代相当于埃迪卡拉纪早期(6.35-5.8 亿年之前)。这个生物群中包括了形态多样的海藻和一些可能的后生动物化石,是迄今为止最古老的宏体真核生物组合,其中很多动物的形态已经明显分异。可以说,这个生物群的出现为科学家探索宏体多细胞真核生物的出现,尤其是动物的起源和早期演化,提供了最早也最坚实的材料。

  不過,確定這個生物群的時間證據是通過地層對比間接獲得的。一般情況下,地質學家可以測定地層中的特殊礦物確定時代,其中最重要的定年礦物是來自火山灰夾層中的锆石。這種方法利用了U-Th-Pb同位素體系的含量特征和放射性的半衰期原理。但是很遺憾,目前爲止我們還沒有在産出藍田生物群的藍田組地層中找到火山灰夾層,以及相關的定年礦物。因此我們只能通過地層對比的方法確定藍田生物群的年代。確切地說,在埃迪卡拉紀早期,皖南地區沈積了藍田組地層,而在同一時期我國三峽地區也沈積了一套地層,叫做陡山沱組。陡山沱組地層的研究曆史久遠,相對成熟,在不同層位有一系列的年代數據。通過對比我們發現,皖南地區的藍田組和三峽地區的陡山沱組有極爲相似的岩石地層序列和化學地層學特征(主要是碳氧同位素組成),可以完美地進行對應。由此,我們利用陡山沱組産出的年齡數據間接限制了藍田生物群的年代。這項結論的科學依據很充分,也得到了絕大多數學者的認可。在下一步的工作中,我們仍然希望能在藍田組的地層中找到火山灰夾層,或者其他可以有效確定時代的地質記錄,從而直接限定藍田生物群的時代。  

  《環球科學》:中國的各種埃迪卡拉紀生物群之間有演化上的聯系嗎?

  殷宗軍:由于時代不同,這些生物群基本上都是離散的窗口,演化上並沒有直接的繼承關系。比如我們不能說甕安生物群演化成了藍田生物群,然後又演化成了石板灘生物群。但是,這些離散的窗口都爲我們了解海洋生物圈在埃迪卡拉紀的演替過程提供了重要信息。

  毫無疑問,這些生物爲寒武紀生物群的出現奠定了基礎,因爲寒武紀早期出現的動物和藻類並不需要重新起源一次(生物圈不用重新“發明”一次動物和藻類),而是在前寒武紀的生物圈基礎上演化出來的(分子生物學基礎一樣,很多重要類群的基因甚至基因調控網絡的創新也在一定程度上有所繼承)。但到目前爲止,還沒有任何證據可以表明埃迪卡拉紀的某兩個生物群之前有直接的繼承關系,畢竟兩者之間存在時代上的鴻溝。它們更像兩個離散的點,而不是彼此貼在一起的兩個點。

  陳哲:沒錯,國內埃迪卡拉紀的生物群間各具特色,總體而言差別還是很大。但是其中也有極少量特殊的化石,可以歸爲相同的生物類型。這至少說明各生物群之間可能有藕斷絲連的關系。比如,藍田生物群中的扇形藻和奧爾貝串環(Orbisiana)、廟河生物群中的八臂仙母蟲,這些生物在石板灘生物群中也出現了,反映了它們之間的某種聯系。另外,世界上廣泛分布的埃迪卡拉生物群(中國組合稱石板灘生物群)中軟軀體的埃迪卡拉型生物在寒武紀開始前幾乎全部絕滅。雖然在寒武紀地層中也報道過類似的軟軀體化石,但能否劃定爲埃迪卡拉型生物或其後裔,還有很大的爭議。就我們所知,只有極少數的化石延續到了寒武紀,比如,克勞德管(Cloudina)。

  即便埃迪卡拉紀的生物群演化出了多細胞的宏體生物,要在它們和寒武紀以來的多細胞宏體生物間劃上親緣關系,還是有很大的爭議。一些學者認爲,埃迪卡拉生物群生物群中含有多種類型的生物,其中一部分可能已經是現生生物的早期祖先。而另一些學者的看法與此相反,他們認爲這些生物與現生生物世界截然不同,是一次失敗的演化試驗。  

  《環球科學》:那是什麽促成了埃迪卡拉紀生物的蓬勃發展?

  殷宗軍:可能是生物和環境共同作用的結果。首先海水含氧量需要達到一定程度,此外生物自身演化的一些分子生物學基礎,比如重要基因和基因調控網絡的創新也積累到了一定程度。

  實際上這個問題非常複雜,有數千篇論文討論,而且莫衷一是。目前一部分人做環境變化,強調海洋的氧化過程對埃迪卡拉紀生物,尤其是動物演化的影響;另一部分人強調生物自身,認爲不同動物之間的協作或競爭能促進生態位的擴張。比如,很多人都認爲寒武紀大爆發之所以出現,是因爲動物之間捕食-被捕食現象的出現導致了軍備競賽。有些動物在食物鏈頂端,發育了很強大的口器和附肢;有些動物在食物鏈底層,屬于被捕食的對象,它們則發育了一些防禦性狀,比如堅硬的外殼,于是很多奇特的生命形式就出現了。這聽起來很有道理,但實際上軍備競賽可能是繁盛的結果,而不是繁盛的原因。

  

  

  《環球科學》:目前國際上已經有科學家想推翻“寒武紀生命大爆發”的概念,把生命大爆發的時間提前到埃迪卡拉紀,這種思路會成功挑戰傳統觀點麽?

  殷宗军:我们知道这两个阶段的生物群之间有继承关系,但不是直接传承的,中间还有很多间隔。全球已经发现了很多埃迪卡拉纪的生物群,这是事实。在这个基础上,英国爱丁堡大学的蕾切尔·A·伍德(Rachel A. Wood)教授就在《自然》杂志的子刊《生态学与进化》(Ecology & Evolution)上撰文表示新的化石记录的发现更新了前人对寒武纪生命大爆发的认识,甚至是挑战了传统的寒武纪生命大爆发的观点,他们认为动物各个类群在埃迪卡拉纪就已经起源和演化了,一直缓慢持续地演化到寒武纪,横跨了数亿年,而寒武纪早期大量两侧对称动物出现只是这个宏大的生物演化历程中的一环而已。

  可以說,兩派的共同點是對客觀的化石記錄其實沒有爭論,不同點在于對“寒武紀大爆發”下了完全不同的定義。對于認爲存在寒武紀大爆發的科學家而言,是指兩側對稱動物的主要門類,或者說身體構型(bodyplan)在寒武紀初期大規模出現,而在寒武紀之前和之後就很少或者說幾乎沒有新的兩側對稱動物門類出現。他們把這個事實或者說現象稱爲寒武紀大爆發。

  對于認爲應該把大爆發時間提前的科學家而言,他們對大爆發的定義更寬泛,把很多基礎動物(比如海綿動物、刺細胞動物以及這幾個動物門的基幹類群)的誕生和發展的時間都包含在大爆發的範疇之內。而這些生物的確在埃迪卡拉紀就已經出現了。所以從這個角度上說,可能需要將大爆發的時間提前,或者說寒武紀初期的生物輻射演化事件只是更長尺度上生物演化過程的一環而已。但從本質上來說,這更像純粹的“名詞之爭”,因爲事實和現象基本不存在爭議,只是對概念範疇的劃定不同,或者看同一個現象的角度不同而已。  

  《環球科學》:在未來的研究中,我們還有什麽可以期待的?

  萬斌:學術界普遍認爲“寒武紀生命大爆發”是後生動物演化史上的一個裏程碑事件,認爲絕大多數動物門類的祖先都在寒武紀早期約5.18億年前後爆發式的出現。然而,隨著近年來研究的不斷深入,科學界也普遍意識到有些後生動物在寒武紀之前就已經起源和分異。而我國寒武紀之前的埃迪卡拉紀地層發育非常完整,其中還包含了種類繁多的化石生物群。我相信,未來一定能在這些生物群中找到真正的後生動物,不但包括較爲簡單的基礎動物類群,還應該有比較複雜的兩側對稱動物類群。

  我們已經擁有大量的實證材料,爲認識後生動物的起源和早期演化做好了准備,未來一定有很多具有國際知名度和影響力的成果從這裏誕生。  

  殷宗軍:接下來我們還是會仔細研究已有的化石記錄,從而更透徹地理解那個時代的精彩變化。化石材料的發現和報道只是其中一部分工作,基于大數據(在長時間尺度和全球尺度上)的統計分析工作,基于分子生物學的系統發生研究,以及利用分子鍾的研究都在不斷開展。未來結合分子生物學和化石記錄的全證據鏈的研究會讓我們對早期生命的起源和演化的理解有質的飛躍。

  我們會找到更多離散的點,發現更多新的化石甚至是化石群,從而讓原本分離的孤島逐漸連接起來。我們也會越來越清晰地看到那個時代生物圈的快速變遷,最終趨近完整的演化曆史。








 
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