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湖北發現5億年前軟體化石庫,為寒武紀生命大爆發提供新證據

經過12年的野外發掘和室內研究,西北大學早期生命與環境創新研究團隊張興亮、傅東靜等人於3月22日在《科學》雜誌首次向世界公布:在中國宜昌長陽地區發現了距今5.18億年的寒武紀特異埋藏軟軀體化石庫——清江生物群。這是古生物學界又一突破性發現。

《科學》雜誌同期刊發了題為“寒武紀化石寶庫”的專家評論。國際著名古生物學家Allison C. Daley評價:“清江生物群是令人震驚的科學發現!其化石豐富度、多樣性和保真度世界一流,科學價值巨大。後續研究將有望填補我們對於寒武紀大爆發的認知空白並解決動物門類起源演化方面一系列科學問題。”

完美的特異埋藏條件造就的化石寶庫

論文第一作者傅東靜副教授介紹說:“這次發現的清江動物群化石十分完整,保存了大量的生物軟組織,比如眼睛、皮膚、內髒、甚至是神經系統,所以它就可以給我們一個非常完美的畫面,告訴我們這個物種5億年前應該是長什麽樣子。”

那麽,是什麽原因讓清江生物群能夠保存得如此完好呢?

通常情況下,生物死後軟體會被微生物分解,只剩下堅硬的骨骼和甲殼。據科學家實驗,蝦類在8周之內會腐爛殆盡,如果有微生物參與,或者經過一定距離的搬運,生物的腐爛和破壞速度就更驚人了。想要成為化石,還需要經歷埋藏、成岩等一系列地質過程,極容易受到改造甚至被徹底破壞。因此,雖然在地球生命演化歷史中出現過不計其數的生物,我們現在能夠發現化石的也只有不到1‰。

而清江生物群化石的完整保存正是得益於化石形成過程中的特異埋藏現象。特異埋藏需要以下幾個條件:一個是突發事件的快速埋藏,生物死後不到幾秒的時間就開始了腐爛作用,如果沒有大量的沉積物快速覆蓋,那麽軟體很難保存。二是處於深水缺氧環境,生物死後雖然也被微生物分解但速度較慢。第三個就是礦物替換作用,即生物死亡之後軀體內的有機質被礦物質快速替換,從而將身體結構等信息較為完整地保存下來。

根據專家分析,清江生物群應該生活在遠離海岸的、較深的水域中,被帶到了風暴難以到達的海面之下。它們在缺氧環境中被快速埋藏,於是避免了外界環境的擾動和其他生物的破壞。隨著時間推演,這裡形成了一種被稱為布爾吉斯型頁岩(Burgess Shale type,BST)的特殊岩層結構。這種頁岩不但能夠保存具有礦化骨骼的後生動物軟體,那些沒有礦化骨骼的生物也能夠以類似“壓膜”的形式保留下來。

為破解寒武紀生命大爆發難題提供新鑰匙

寒武紀生命大爆發與生命起源、智能起源等共同被列為“六大自然科學難題”。在相當於整個生命歷史不到百分之一的時間之內,地球上演化出了現生生物大部分門一級別的祖先。這一現象曾經困擾了達爾文,甚至被神創論者作為上帝創世的證據。而要破解寒武紀大爆發的奧秘,除了基於理論的科學猜想,更需要發現恰當的科學觀察窗口——化石庫,以找到可靠的化石實證。

布爾吉斯頁岩型化石庫最早在1909年發現於加拿大落基山脈寒武紀中期的布爾吉斯頁岩中,並因此命名。此類化石庫在全球各地已發現50余個,但按照化石保存質量的優劣及化石物種多樣性的高低等標準來看,僅有加拿大布爾吉斯頁岩生物群和1984年發現於我國雲南省的澄江生物群成為了理想的頂級研究目的地。雲南澄江生物群發現35年來,已在數十萬件化石標本中發現了超過280個物種,成為我國唯一化石地世界自然遺產。

然而,如今地球上的動物界共有38個門,在寒武紀生命大爆發時期的化石中,已發現20個現生的動物門類和6個已滅絕的動物門類,但仍有18個現生動物門類尚未在寒武紀找到化石代表。

此次發現的清江生物群,在4351件化石標本中,已分類鑒定出109個屬,其中53%為此前從未有過記錄的全新屬種。生物統計學“稀疏度曲線”分析顯示,清江生物群的物種多樣性將有望超過包含布爾吉斯和澄江在內的全球已知所有寒武紀軟軀體化石庫。

文章的通訊作者張興亮介紹,“生物地層學研究顯示,清江生物群和澄江生物群是同時代的、位於不同古地理位置的生物群。二者都距今約5.18億年,處在寒武紀生命大爆發時期動物門類爆發式出現的極盛時期。兩者的科學研究價值具有很強的互補性。

因此,此次清江生物群化石庫的發現能夠最大程度地還原寒武紀生物群原本的、完整的組合面貌,為探尋寒武紀大爆發的演化模式和強度以及構建動物生命樹的基本結構提供絕佳的化石記錄。

潛力巨大的化石寶庫

據發表本次研究成果的科研團隊帶頭人舒德乾院士介紹,在漫長的地質演變過程中,清江生物群化石既沒有經歷類似加拿大布爾吉斯頁岩的變質作用,轉變為黏土礦物;也沒有遭遇類似澄江化石經顯著的風化作用,轉變為鐵氧化物。它最大程度地還原了寒武紀生物群的面貌,將精美絕倫的化石呈現在人們眼前。

文章第一作者傅東靜介紹,“清江生物群的特色和優勢,體現在新屬種比例最高、後生動物相對多樣性最大、軟軀體生物類群最多、化石形態保真度最優、原生有機質的埋藏保存最好等五個方面,具有難以估量的研究潛力。”

相信在不久的將來,清江生物群將為研究早期生命演化的關鍵環節和過程提供更多新的證據。

作者 | 劉森 遼寧古生物博物館展覽部主任

審稿 | 梁飛 沈陽師范大學古生物學院副教授

責編 | 高佩雯

文章由騰訊科普“科普中國頭條創作與推送項目”團隊推出

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