清江化石庫工作現(xiàn)場。
西北大學(xué)供圖
歷經(jīng)12個春秋,我國科學(xué)家在古生物學(xué)研究領(lǐng)域取得一項重大突破——發(fā)現(xiàn)“寒武紀(jì)化石寶庫”。
前不久,西北大學(xué)早期生命與環(huán)境創(chuàng)新研究團(tuán)隊張興亮、傅東靜等人,在《科學(xué)》雜志首次公布他們的研究成果:在中國湖北宜昌長陽地區(qū)發(fā)現(xiàn)了距今5.18億年的寒武紀(jì)特異埋藏軟軀體化石庫——清江生物群。
“清江生物群是令人震驚的科學(xué)發(fā)現(xiàn)!”國際著名古生物學(xué)家AllisonC·Daley在《科學(xué)》雜志同期刊發(fā)的題為“寒武紀(jì)化石寶藏”的評論中指出:“其化石豐富度、多樣性和保真度世界一流,科學(xué)價值巨大。后續(xù)研究將有望填補(bǔ)我們對于寒武紀(jì)大爆發(fā)的認(rèn)知空白并解決動物門類起源演化方面一系列科學(xué)問題。”
寒武紀(jì)生命大爆發(fā)之謎至今沒有破解
在不到地球歷史1%的時間誕生了絕大多數(shù)動物門類,曾令達(dá)爾文感到困惑
大約5.42億年前到5.3億年前這段時間,被科學(xué)界認(rèn)為是寒武紀(jì)的開始時間。在這1000多萬年時間內(nèi),寒武紀(jì)地層突然出現(xiàn)了門類眾多的無脊椎動物化石;而在早期更為古老的地層中,長期以來卻一直沒有找到明顯的祖先化石。這一現(xiàn)象被稱作寒武紀(jì)生命大爆發(fā),簡稱寒武紀(jì)大爆發(fā)。
寒武紀(jì)大爆發(fā)被稱為自然科學(xué)研究領(lǐng)域的一大“懸案”,在不到地球歷史1%的時間誕生了絕大多數(shù)動物門類,曾令達(dá)爾文感到困惑。
“要破解寒武紀(jì)大爆發(fā)的奧秘,除了科學(xué)猜想,更需要發(fā)現(xiàn)恰當(dāng)?shù)目茖W(xué)觀察窗口——化石庫,以找到可靠的化石實證。”張興亮教授介紹說,1909年以來相繼發(fā)現(xiàn)的加拿大布爾吉斯生物群、中國云南澄江生物群,就是科學(xué)家夢寐以求的珍貴化石庫。
布爾吉斯頁巖型化石庫最早在1909年發(fā)現(xiàn)于加拿大落基山脈寒武紀(jì)中期的布爾吉斯頁巖中,并因此得名。這一化石庫長期在古生物學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)研究中獨領(lǐng)風(fēng)騷。相較于常見的類似保存著脊椎動物骨骼的硬體化石庫,布爾吉斯頁巖型化石庫不僅可以保存動物骨骼以外的組織、器官等軟體形態(tài),更可以保存諸如水母、??溶涇|體生物。這為探尋寒武紀(jì)大爆發(fā)的演化模式和強(qiáng)度以及構(gòu)建動物生命樹的基本結(jié)構(gòu),提供了絕佳的化石記錄。
自布爾吉斯頁巖型化石庫發(fā)現(xiàn)100多年來,此類化石庫在全球各地已發(fā)現(xiàn)50余個。但按照化石保存質(zhì)量的優(yōu)劣及化石物種多樣性等標(biāo)準(zhǔn)來看,僅有加拿大布爾吉斯頁巖生物群和1984年發(fā)現(xiàn)的澄江生物群,成為“理想的頂級研究目的地”。
其中,澄江生物群發(fā)現(xiàn)35年來,已在數(shù)十萬件化石標(biāo)本中發(fā)現(xiàn)了超過280個物種,相關(guān)研究成果28次登上《自然》《科學(xué)》和《美國科學(xué)院院報》等三大科學(xué)期刊,成為我國唯一化石地世界自然遺產(chǎn)。
盡管如此,寒武紀(jì)大爆發(fā)仍存在很大的認(rèn)知空白,動物門類起源演化方面還有許多未解之謎。于是,找到下一個“理想的頂級研究目的地”,就成為國際古生物學(xué)界的一大夢想。
敲出了半只林喬利蟲
一個巨大的寒武紀(jì)化石寶藏逐漸顯露真容
宜昌市長陽縣地處鄂西南山區(qū),位于長江和清江中下游,寒武紀(jì)地質(zhì)層分布廣泛。
2007年暑假,湖北的天氣異常炎熱。張興亮帶領(lǐng)傅東靜、劉偉、代韜等研究生到長陽地區(qū)進(jìn)行考察。
“當(dāng)時的目標(biāo)層位是石牌生物群,它比澄江生物群的出現(xiàn)時間稍晚,年齡更輕。”傅東靜回憶說,“大家像往常一樣,取出地質(zhì)錘叮叮哐哐地敲。很快,張興亮老師就找到了拇指長的半只蟲化石——林喬利蟲。”
林喬利蟲是布爾吉斯頁巖化石庫很有代表性的一種“蝦”狀節(jié)肢動物。緊接著,踏勘隊還在這個位置找到了納羅蟲。而在1984年侯先光教授發(fā)現(xiàn)澄江生物群的時候,第一個發(fā)現(xiàn)的化石正是納羅蟲。
隨后的12年里,西北大學(xué)早期生命與環(huán)境創(chuàng)新研究團(tuán)隊長期堅持野外發(fā)掘和室內(nèi)研究,一個巨大的寒武紀(jì)化石寶庫逐漸顯露真容。
“有人說我們運氣好,但實際上,在發(fā)現(xiàn)這只林喬利蟲之前的十幾年間,張興亮老師尋找這種化石群已經(jīng)走遍了全世界。幸運總是降臨在有心的人身上,不是嗎?”傅東靜說。
研究團(tuán)隊將這一化石寶藏命名為清江生物群,一個原因看是因為化石埋藏地是在清江與丹江河的交匯處。更重要的一個原因,是研究團(tuán)隊希望清江與澄江生物群日后能夠成為享譽(yù)世界的“中國兩江生物群”。
研究的結(jié)果越來越令人興奮
初步研究發(fā)現(xiàn)109個屬,53%為此前從未有過記錄的全新屬種
即便是找到了林喬利蟲和納羅蟲,在華南、華北還是有很多有潛力的化石產(chǎn)地需要去研究。“最開始我們還是全年巡回踏勘的,每年大約去清江兩三次,都是等老鄉(xiāng)告訴我們水位下去、河床露出來的時候,我們就趕緊去,下雪也不例外。直到2014年才逐步確認(rèn)了這個化石庫的巨大潛力,研究重心徹底轉(zhuǎn)移過來。”傅東靜說。
不亞于海底撈針,張興亮、傅東靜和團(tuán)隊里一屆又一屆的碩士、博士,在5億年前的“大海”里找出了兩萬多只“蟲子”。“工人用撬杠撬出1立方米大小的石頭,我們就用地質(zhì)錘順著頁巖的層面劈,一邊劈一邊看,找到蟲子就整理、編號、打包,背出山、帶回實驗室。然后把每一塊清理、討論、鑒定、分類、記錄。”傅東靜說,“每一塊化石都有一個故事,每一個關(guān)于它們的故事我們都爛熟于心。”
每發(fā)現(xiàn)一種寒武紀(jì)生物化石,研究者就需要大量查閱資料。研究的結(jié)果越來越令人興奮,已研究的4351件化石標(biāo)本中,已初步研究發(fā)現(xiàn)109個屬,其中53%為此前從未有過記錄的全新屬種!
生物統(tǒng)計學(xué)“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頁巖和澄江在內(nèi)的全球已知所有寒武紀(jì)軟軀體化石庫。
據(jù)介紹,如今地球上的動物界共有38個門,在寒武紀(jì)生命大爆發(fā)時期的化石中,已發(fā)現(xiàn)20個現(xiàn)生的動物門類和6個已滅絕的動物門類,但目前仍有18個現(xiàn)生動物門類尚未在寒武紀(jì)找到化石代表。在過去的35年間,古生物學(xué)家曾在澄江生物群的研究中找到了許多動物門類的最早化石記錄。
在位于長陽丹江河附近的團(tuán)隊工作室墻上,掛著科研團(tuán)隊用顯微鏡放大后的照片,那是科學(xué)家心中5.18億年前的海洋世界。這些古生物有的像水母、海蝦、蠕蟲,有的像西瓜、花朵……有的甚至連觸角和腹部的紋理都清晰可見,栩栩如生。
張興亮興奮地說:“目前后生動物屬中,85%不具有礦化骨骼,且絕大多數(shù)為水母、海葵等沒有骨骼的動物。能發(fā)掘出如此多形態(tài)完整的軟軀體化石,實屬罕見。”
他解釋說,這些化石的“超高保真”,是由于清江生物群化石主要以原生碳質(zhì)薄膜形式保存,未經(jīng)明顯的成巖作用和風(fēng)化作用改造。
目前只是掀開了冰山一角
5.18億年前的更多未知奧秘等待科學(xué)家去探索
清江生物群距離澄江生物群1050公里。張興亮告訴我們:“生物地層學(xué)研究顯示,清江生物群和澄江生物群是同時代、位于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(jì)生命大爆發(fā)時期動物門類爆發(fā)式出現(xiàn)的極盛時期。兩者的科學(xué)研究價值具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。”
張興亮認(rèn)為,與澄江生物群相比,清江生物群生活于遠(yuǎn)離海岸的較深水環(huán)境,代表了不同生態(tài)環(huán)境下的全新生物群落,這一點從其超過半數(shù)以上的新屬種可以證實。因此,清江生物群后續(xù)的大規(guī)模發(fā)掘,將為發(fā)現(xiàn)和探索新的軀體構(gòu)型和新的動物門類提供第一手材料,將進(jìn)一步提高我們對寒武紀(jì)大爆發(fā)的科學(xué)認(rèn)識。
此前,以中科院院士舒德干領(lǐng)軍的西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系早期生命與環(huán)境創(chuàng)新研究團(tuán)隊,在達(dá)爾文提出的地球生命呈“樹形演化”猜想基礎(chǔ)上,通過數(shù)十年的研究與實證,勾勒出了寒武紀(jì)生命大爆發(fā)時基礎(chǔ)動物、原口動物、后口動物三大枝系演化“大樹”的基本輪廓,進(jìn)而在全球首次構(gòu)建了完整的早期動物譜系樹框架圖。
“通過我們已開展的研究發(fā)現(xiàn),清江生物群中雙胚層輻射對稱的動物占主導(dǎo),刺胞動物身體構(gòu)型分異度高,蛻皮動物類群中極其罕見的動吻動物繁盛。此外,我們還發(fā)現(xiàn)了許多形態(tài)奇異的嶄新物種。隨著研究的展開,清江生物群將為‘早期動物譜系樹’到底在哪里分叉、在哪里開枝散葉,找到更多生物進(jìn)化的直接證據(jù)。”傅東靜說。
清江生物群化石能以原生碳質(zhì)薄膜形式保存,也是開展埋藏學(xué)和地球化學(xué)研究,進(jìn)而開展深入古環(huán)境研究的理想素材。
據(jù)介紹,動物的系統(tǒng)發(fā)育、營養(yǎng)動力以及關(guān)鍵進(jìn)化特征的出現(xiàn)等問題研究,依賴于發(fā)現(xiàn)更多的軟體結(jié)構(gòu)和更優(yōu)質(zhì)的形態(tài)保存,如內(nèi)臟、鰓條、脊索、神經(jīng)組織、心血管系統(tǒng)等等。然而,這些都屬于埋藏上高度不穩(wěn)定的組織器官。到底是怎樣特殊的埋藏機(jī)制,才使得布爾吉斯頁巖型化石庫能夠保存軟體結(jié)構(gòu)?這也是清江生物群今后研究需要解決的問題。
張興亮團(tuán)隊認(rèn)為,目前全球兩個保真度最高的布爾吉斯頁巖型化石庫——布爾吉斯頁巖生物群和澄江生物群,在埋藏之后分別經(jīng)歷了高溫變質(zhì)、風(fēng)化作用等嚴(yán)重的地質(zhì)改造,其樣本已無法用于深入開展埋藏學(xué)研究。而在清江生物群發(fā)現(xiàn)的軟軀體化石,奇跡般地以原生碳質(zhì)薄膜形式保存了原始的有機(jī)質(zhì)。
“毫無疑問,這里將為開展埋藏學(xué)和地球化學(xué)研究,進(jìn)而開展深入的古環(huán)境研究提供理想素材。困擾學(xué)術(shù)界多年的動物軟體結(jié)構(gòu)特殊埋藏機(jī)制問題,或?qū)⒃谇褰锶旱玫狡平狻?rdquo;張興亮說。
“清江生物群研究工作才剛剛開始,我們只是掀開了冰山神秘的一角,初步報道描述了該生物群的化石組合面貌。古生物分類學(xué)和譜系分析將解決動物門類起源與演化問題。沉積學(xué)、埋藏學(xué)、地球化學(xué)的研究將解決化石為什么保存這么好、環(huán)境條件如何等問題。后續(xù)可能還需要幾十年,甚至幾代人的研究。”張興亮說。