“石板灘生物群”中的最早“腳印”化

文/《環(huán)球》雜志記者?王玨玢

編輯/樂艷娜

　　5年前，當(dāng)研究團(tuán)隊(duì)在三峽地區(qū)的“石板灘生物群”中一榔頭、一榔頭敲出一塊遍布多級(jí)網(wǎng)格的灰?guī)r化石，牽頭挖掘的袁訓(xùn)來研究員一眼認(rèn)出：“這是海綿！前寒武紀(jì)時(shí)期終于找到了這么清晰可辨的海綿化石！”

　　今年6月，這種5.5億年前的遠(yuǎn)古生物被正式命名為螺旋網(wǎng)格海綿，登上國際頂級(jí)科學(xué)期刊《自然》。有審稿專家評(píng)論：這種5億多年前的海綿化石可能成為重新理解動(dòng)物演化的“羅塞塔石碑”，科學(xué)家或?qū)⒂纱私忾_埋藏已久的早期動(dòng)物演化之謎。

填補(bǔ)“消失”的1.6億年

　　提起海綿，大家能馬上想起經(jīng)典動(dòng)畫“海綿寶寶”的主人公形象。但少有人知，“海綿寶寶”的原型是多細(xì)胞動(dòng)物中最原始、最低等的一類——海綿動(dòng)物。

　　6月5日登載在《自然》上的一種新發(fā)現(xiàn)的遠(yuǎn)古海綿——螺旋網(wǎng)格海綿，翻開了海綿動(dòng)物研究的重要一頁。從化石上看，它遠(yuǎn)不如長著方形身體、打著領(lǐng)結(jié)的“海綿寶寶”那樣“萌”，不過個(gè)頭著實(shí)不小，錐形的身體足有三四十厘米長。5.5億年前的寒武紀(jì)海洋中已經(jīng)誕生了這樣的海綿“大家伙”，令人稱奇。

　　更精細(xì)的形態(tài)研究顯示，這種遠(yuǎn)古海綿其實(shí)呈現(xiàn)類似高腳杯的形態(tài)：它的底部有盤狀的固著結(jié)構(gòu)，上半部分呈倒置的錐形，上下兩部分由“莖”狀結(jié)構(gòu)連接。在錐形身體的部分，分布著多次分級(jí)的規(guī)則網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，下部的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)呈螺旋排列，這種海綿也因此被命名為螺旋網(wǎng)格海綿。

　　“現(xiàn)實(shí)中，這樣類似杯狀或者形似瓶、壺的形態(tài)，更符合海綿動(dòng)物的真實(shí)生活。底部的盤狀結(jié)構(gòu)，讓它們能夠直立底棲在海洋中，螺旋排列的網(wǎng)格也很可能由水流沖刷造就，海綿隨水流擺動(dòng)身體，靠濾食海水當(dāng)中的有機(jī)物生活?！毖芯空撐牡谝蛔髡摺⒅袊茖W(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所特別研究助理王霄鵬對(duì)《環(huán)球》雜志記者說。

　　如果不是專門研究古生物，藏在青灰色灰?guī)r中的螺旋網(wǎng)格海綿化石很可能被當(dāng)做一塊普通石板。這樣一塊并不起眼的石頭，憑什么登上頂級(jí)學(xué)術(shù)刊物《自然》？這得從海綿的“江湖地位”說起。

　　南京古生物所副研究員萬斌介紹，海綿動(dòng)物通常被認(rèn)為是最基礎(chǔ)和最原始的后生動(dòng)物。在漫長的演化中，它們幸運(yùn)地躲過了5次物種大滅絕存活至今。尋找和研究早期的海綿化石，很可能提供探索動(dòng)物起源和早期演化模式的關(guān)鍵證據(jù)。

　　奇怪的是，雖然現(xiàn)代分子生物學(xué)研究和分子鐘推測表明，海綿在大約7億年前就已經(jīng)起源，但確切的化石記錄直到約5.39億年前的寒武紀(jì)才大量出現(xiàn)，中間長達(dá)約1.6億年的空缺撲朔迷離，被稱為海綿早期演化中“消失的歲月”。

　　“以往發(fā)現(xiàn)的前寒武紀(jì)海綿，有的微小難辨、有的特征模糊，發(fā)現(xiàn)螺旋網(wǎng)格海綿這樣大個(gè)、確切的化石，為填補(bǔ)‘消失’的1.6億年提供了關(guān)鍵性的實(shí)證證據(jù)。另一方面，螺旋網(wǎng)格海綿的身體骨架結(jié)構(gòu)由有機(jī)質(zhì)組成，并不具備現(xiàn)生海綿中存在的典型的礦化骨針。這也為我們打開了思路，早期海綿可能不具備礦化的骨針，身體結(jié)構(gòu)也可能與現(xiàn)生的海綿有所不同，不能完全以現(xiàn)生海綿為藍(lán)本，去尋找前寒武紀(jì)時(shí)期的化石?！比f斌說。

青石板里失落的世界

　　螺旋網(wǎng)格海綿化石是在三峽地區(qū)的埃迪卡拉紀(jì)燈影組石板灘段地層中發(fā)現(xiàn)的。以前，當(dāng)?shù)卮迕癯＞偷厝〔?，將這里堅(jiān)硬的灰?guī)r劈開變成青石板，當(dāng)作瓦片蓋在房頂。直到2011年，中國古生物學(xué)家在石板灘段發(fā)現(xiàn)了典型的埃迪卡拉化石和全新的物種，“石板灘生物群”才揭開神秘的面紗，向世人展現(xiàn)出青石瓦礫中的化石寶庫。

　　緊挨著寒武紀(jì)之前的埃迪卡拉紀(jì)，距今有6.35億至5.39億年歷史。這時(shí)候的海底，原始的單細(xì)胞生物已經(jīng)進(jìn)化為各種各樣令人驚奇的宏體多細(xì)胞真核生物。截至目前，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大量這一時(shí)期的古生物化石，它們中很多體態(tài)柔軟、造型奇特，固定棲息在遠(yuǎn)古海洋的底部。

　　“石板灘生物群”是中國發(fā)現(xiàn)的首個(gè)埃迪卡拉化石生物群，也是全世界為數(shù)不多保存在海相碳酸鹽巖中的埃迪卡拉化石生物群。

螺旋網(wǎng)格海綿化石的反射光照片（a）和激光掃描照片（b）

　　要了解寒武紀(jì)之后為何會(huì)突然迎來“生命大爆發(fā)”，必須在更古老的巖石里找答案。

　　近十年來，“石板灘生物群”在中國地質(zhì)古生物學(xué)者的系統(tǒng)挖掘和深入研究下不斷成果“上新”：

　　2018年，美國《科學(xué)》雜志子刊《科學(xué)進(jìn)展》報(bào)道了在石板灘生物群中發(fā)現(xiàn)的5.5億多年前的動(dòng)物“腳印”。這是迄今發(fā)現(xiàn)的地球上最早的動(dòng)物足跡化石，表明寒武紀(jì)之前不僅已經(jīng)出現(xiàn)了兩側(cè)對(duì)稱動(dòng)物，還很可能已經(jīng)出現(xiàn)成對(duì)的附肢；

　　2019年《自然》雜志又報(bào)道了在石板灘生物群中發(fā)現(xiàn)的5.5億年前的爬蟲化石：夷陵蟲。這是迄今已知最早的具有運(yùn)動(dòng)能力的兩側(cè)對(duì)稱動(dòng)物。對(duì)稱、分節(jié)、運(yùn)動(dòng)，這些重要的進(jìn)化特征，第一次同時(shí)“裝配”在前寒武紀(jì)動(dòng)物身上，使這種類似現(xiàn)在沙蠶、蜈蚣的爬蟲具有了遠(yuǎn)超其他埃迪卡拉紀(jì)動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)能力。

　　從最早的動(dòng)物“腳印”到現(xiàn)在的螺旋網(wǎng)格海綿，重要成果一再出現(xiàn)。這說明，寒武紀(jì)之前地層中有豐富的化石存在，之后生命大爆發(fā)的起源可能就埋藏于此。中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所研究員袁訓(xùn)來說，“‘石板灘生物群’就是這樣一個(gè)充滿未知的化石寶庫，你永遠(yuǎn)不知道，下一榔頭會(huì)敲出什么驚喜?！?/p>

解開演化之謎的鑰匙

　　“同群的一切現(xiàn)存物種都是從一種原始祖先傳衍下來的……遠(yuǎn)在寒武紀(jì)的地層沉積之前，應(yīng)當(dāng)經(jīng)歷了一個(gè)很長的時(shí)期……在這樣長久的時(shí)期里，生物已經(jīng)遍布全世界……至于為什么在最早的寒武紀(jì)以前沒有找到富含化石的沉積物，我無法給予圓滿的答復(fù)……”這是達(dá)爾文在《物種起源》里提出的困惑。

　　此次刊發(fā)的螺旋網(wǎng)格海綿研究，一名《自然》審稿專家評(píng)論：這種5億多年前的海綿化石，可能成為重新理解動(dòng)物演化的“羅塞塔石碑”。

　　一種前寒武紀(jì)的海綿，為何得到如此評(píng)價(jià)？

　　“達(dá)爾文之困”涉及動(dòng)物進(jìn)化史上最波瀾壯闊的一頁——“寒武紀(jì)生命大爆發(fā)”。距今大約5.39億至5.18億年前的寒武紀(jì)初期，在短短兩千萬年時(shí)間內(nèi)，絕大多數(shù)現(xiàn)代動(dòng)物門類的祖先相繼出現(xiàn)，并迅速匯入生命演化的滾滾長河，人們熟悉的現(xiàn)代海洋生態(tài)系統(tǒng)得以建立。

　　而在寒武紀(jì)之前，雖然已經(jīng)出現(xiàn)了埃迪卡拉生物這樣復(fù)雜、多樣的海底生物，但人們此前普遍認(rèn)為，前寒武紀(jì)-寒武紀(jì)界線前后的生物群落面貌天差地別，埃迪卡拉生物親緣未知，曾被認(rèn)為一群進(jìn)化的“盲端”。

　　經(jīng)過數(shù)十年的化石積累和研究，破解演化的鑰匙正在一點(diǎn)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)?，F(xiàn)在學(xué)者傾向認(rèn)為，埃迪卡拉生物群中至少有一部分類型，跟現(xiàn)生的動(dòng)物門類存在一定親緣關(guān)系。螺旋網(wǎng)格海綿的發(fā)現(xiàn)，為這一理論提供了有力的實(shí)證。

　　此次在形態(tài)研究的基礎(chǔ)上，科研團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了嚴(yán)格的系統(tǒng)發(fā)育分析，構(gòu)建了一個(gè)包含各種現(xiàn)生動(dòng)物和古生代化石動(dòng)物的形態(tài)數(shù)據(jù)矩陣。結(jié)果顯示，螺旋網(wǎng)格海綿化石屬于冠群海綿，并且與現(xiàn)在仍然存在的六放海綿有較為接近的親緣關(guān)系。

　　“這就是螺旋網(wǎng)格海綿被評(píng)價(jià)為‘羅塞塔石碑’的原因。根據(jù)古埃及托勒密王朝著名的‘羅塞塔石碑’，人們解讀出失傳千余年的埃及象形文字奧秘?，F(xiàn)在，螺旋網(wǎng)格海綿再次連接起了埃迪卡拉生物群和寒武紀(jì)生物群，證明至少一部分埃迪卡拉生物與現(xiàn)生動(dòng)物存在直接的演化關(guān)系?！?/p>

　　“螺旋網(wǎng)格海綿化石的發(fā)現(xiàn)，是對(duì)前寒武紀(jì)化石挖掘和研究形成的一項(xiàng)重要階段性新成果。從這個(gè)新的里程碑出發(fā)，我們終將一步步抵達(dá)生物起源和演化的核心命題?！痹?xùn)來說。