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寒武纪大爆发 我们离谜底越来越近

澄江生物群生态复原图

澄江生物群发现的奇虾化石

海口虫化石

生命究竟怎样起源的?原始的脊椎动物和我们有什么关系?人类一直在探索。

近日,130余名国内外专家学者聚首云南澄江,共同纪念澄江生物群发现35周年,交流寒武纪大爆发研究领域的最新进展。澄江生物群与寒武纪大爆发再次引发关注。

寒武纪大爆发曾被认为是古生物学和地质学上的一大悬案,自达尔文提出进化论以来就一直困扰着学术界。寒武纪大爆发是否真实存在?人类为何要关注那些古老的生物?科技日报记者采访了这次与会的专家。

与达尔文的渐进演变思想明显冲突

在距今约5.3亿年前后的寒武纪早期,包括脊椎动物在内的几乎所有动物在短短几百万年的时间里快速登场,节肢、腕足、蠕形、海绵、脊索动物等等一系列与现代动物形态基本相同的动物,在地球上“集体亮相”,形成了多种门类动物同时存在的繁荣景象。这一快速的生命演化事件,被称为“寒武纪大爆发”。

寒武纪大爆发这一重大科学问题,最早源自达尔文的《物种起源》。他在书中提出,寒武纪和志留纪的三叶虫是从生活在寒武纪以前的很长时间进化而来的,但为什么没有发现寒武纪之前富含化石的地层,“这种现象令人费解,这可能会成为反对本学说的有力证据。”由于寒武纪大爆发假说突出了生命演化的快速性、偶然性和保守性,与达尔文进化论的渐进演变思想明显冲突,因而成为演化生物学和古生物学领域研究和争论的焦点。

“在达尔文之后,直到20世纪初在加拿大落基山脉寒武纪地层发现门类复杂的动物化石,这一现象仍没有被当作是快速演化事件来对待,而被认为是寒武纪之前地质记录缺失和化石记录不完整造成的假象。”中国科学院南京地质古生物研究所研究员朱茂炎介绍说,基于这种认识,进化论提出之后的百余年时间里,这一科学问题一直被认为是演化生物领域最具挑战性的古生物学谜题。

1984年7月1日,当时还是中国科学院南京地质古生物研究所研究生的侯先光,在云南澄江帽天山西面山坡上发现了纳罗虫化石。随后,包括林桥利虫、云南鳃虾、日射水母贝以及帽天山虫等又陆续被发现,距今5.3亿年前的“澄江生物群”就这样首次呈现在世人面前。它们类型众多,且十分珍稀地保存了动物软体构造,栩栩如生地再现了远古海洋生命的壮丽景观和现生动物的原始特征,以丰富的生物学信息为寒武纪大爆发研究提供了直接证据,在国际上被誉为“20世纪最惊人的发现之一”,为探索寒武纪生命大爆发的奥秘,开启了一扇宝贵的科学之窗。

“从20世纪后期至今,对这些化石群的深入研究,正在为‘寒武纪大爆发是一次真实的生物快速演化事件’提供越来越多的证据。”早期即参与澄江生物群研究的陈均远研究员说。

生态驱动假说正在刷新认知

进入21世纪,科学家们将研究方向转变为寒武纪大爆发的具体过程和幕后原因。为什么大约38亿年前生命在地球出现之后,一直要到5.3亿年前的寒武纪早期才发生复杂动物的快速爆发呢?

学者们认为,伴随着动物起源和寒武纪大爆发,地球岩石圈、大气圈和水圈也发生了一系列重大事件。首先是岩石圈板块的剧烈运动,随后又发生了新元古代晚期极端气候变化“雪球事件”,这一时期地球各圈层剧烈变化和相互作用,可能导致了多细胞生物,特别是动物的快速起源和寒武纪大爆发。21世纪开始,在雪球事件假说带动下,寒武纪时期生物与环境协同演化研究逐渐成为地球科学交叉研究的前沿。

“生命与环境的协同演化始终是相辅相成的连环过程。”中国科学院南京地质古生物研究所研究员赵方臣告诉记者,地质学家、演化生物学家、古生物学家、进化论学者对寒武纪大爆发的关注,主要集中在环境因素、生物自身即发育基因调控网络因素和生态效应三方面。

从新元古代晚期至寒武纪早期, 地表环境的剧烈变化, 必然会对地球生物演化产生深刻影响。同时, 生物作用又会积极地改造地表环境,从而又影响到生物的演化;在生物自身方面,动物多种多样躯体构型的发育构建受基因调控网路的控制, 动物门类躯体构型的演化,由基因调控网路的组成和结构随时间变化而定。它们也是动物发育演化的基本内在因素,而且在寒武纪大爆发时期已经形成。因此, 很多学者认为寒武纪大爆发是一种生态现象, 并提出不同的生态驱动学假说。“总之,随着对世界各地生物群的深入研究,我们也在不断刷新对寒武纪大爆发的认知。”赵方臣强调说。

延伸阅读

揭秘寒武纪大爆发,中国科学家做了什么

不久前,西北大学的研究人员在我国湖北省宜昌市长阳土家族自治县发现了距今5.18亿年的寒武纪特异埋藏软躯体化石库,命名为“清江生物群”,这是进化古生物学界的又一突破性发现。在寒武纪大爆发的研究中,中国科学家一直在向前走。

早在新中国成立初期,我国科学家就通过地质矿产调查,基本摸清了中国主要构造块上寒武纪地层的基本情况,积累了大量古生物化石材料和数据。澄江帽天山发现之后,中国揭开影响世界寒武纪大爆发研究的高潮,在国际上取得了领先地位。由陈均远研究员、云南大学侯先光教授和西北大学的舒德干教授共同领衔的“澄江生物群与寒武纪大爆发”项目,35年来描述报道了澄江生物群281种物种,归属20多个门级。

与此同时,科学家们在贵州凯里发现了凯里生物群,它们有大量与澄江动物群和布尔吉斯页岩动物群共有的生物分子;在贵州都匀发现了动物胚胎化石,在瓮安发现生物群中动物胚胎和微型成体化石。随后,又于1997年在陕西南部寒武系底部宽川铺组发现具有完整发育系列的动物胚胎化石。这一系列重大发现,首次揭示了早期动物的直接发育方式。

近20年来,随着科研经费投入不断增加,我国科学家的研究重点从过去描述化石类型为主,转向对主要动物类群的起源、早期演化的系统学以及大爆发过程的研究,提出了寒武纪大爆发多幕式演化新模型。通过多学科交叉和国际合作,推进了全球寒武纪时期生物与环境协同演化的研究,产生了一系列重要成果。

“中国科学家在澄江生物群的研究中对寒武纪大爆发提出许多认识和见解,提出寒武纪大爆发呈阶段性、蘑菇云式爆发模型,发现了极为重要的各门类化石演化证据。”赵方臣说,动物演化存在很多中间环节,这些演化中间环节的丢失,为重建系统树带来困难。澄江动物化石群处于爆发式模型的蘑菇云伞盖部位,中国科学家的发掘、研究,为人类认识动物起源和早期演化提供了许多重要理论证据。虽然从古生物学研究的角度来看还有很多问题没有解决,但寒武纪大爆发的谜题正在被层层揭开。(记者 赵汉斌)

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