作者:魏梦鸽 李琛 张行勇 来源:中国科学报 发布时间:2021/11/2 10:09:03
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地球最早苔藓虫化石背后的故事

 

最早苔藓动物复原图

化石扫描细节

陕南镇巴小洋坝剖面。图片均由论文作者提供    

10月27日,《自然》杂志以“长文”形式刊发了西北大学早期生命研究团队教授张志飞指导的博士生张志亮等人的最新成果——《化石证据揭示苔藓动物门起源于寒武纪早期》,宣告在陕南镇巴县发现了地球上已知最早的苔藓动物(苔藓虫)化石。该研究将苔藓动物门的地质历史从奥陶纪前推到寒武纪大爆发早期,将其起源向前推进了约5000万年。

张志亮是论文第一作者,西北大学为第一完成和通讯单位。联合研究者有澳大利亚麦考瑞大学教授、西北大学兼职教授Glenn A. Brock,中国科学院南京地质古生物研究所、英国自然历史博物馆、瑞典自然历史博物馆等机构的学者。

这也是由中国科学院院士、西北大学地质学系教授舒德干领衔的西北大学早期生命与环境创新研究团队自1996年以来在《自然》《科学》上发表的第15篇论文。

发现苔藓虫化石有何意义?

“寒武纪大爆发是地球上已知最为宏伟的两侧对称动物的生命爆发事件。它是我们地球所经历的4个重大里程碑中最伟大、最神奇的事件。”舒德干讲述。

第一个里程碑事件发生于46亿年前的初始期,地球完全是一个大火球,与今天的金星大体相似。第二个里程碑事件发生于接下来的几千万年间,随着温度降低,长期连续降雨便形成原始海洋而成为“水球”,那时一片汪洋,没有大陆。第三个里程碑事件出现了神奇现象,改变了它的“无机性”——花费了5亿年,在海洋中产生了原始生命,主要是细菌,那时的地球应该称为“细菌球”;其他大部分行星由于缺乏类似的海洋条件,所以未能产生任何生命。第四个里程碑事件就是海洋生命经历了30多亿年的漫长演化,最终快速形成了整个动物界框架;它使行星的海洋和陆地面貌发生了彻底改变,可称为“动物球”。

现代地球还可以称为“人类世”和“人类球”,但归根结底还是来源于5亿多年前的“动物球” 。舒德干用“四球”来定义地球的发育过程,即“火球”“水球”“细菌球”和“动物球”。

“动物界这种快速起源成型的神奇事件,被称为寒武纪生命大爆发。” 舒德干说道。

寒武纪大爆发一直是个未解之谜。达尔文当年十分困惑,认为动物界不可能通过爆发形成,应该是慢慢演化而来的。100多年后,美国学者古尔德(S. Gould)根据当时的化石信息,于上世纪70年代提出“一幕式”爆发假说,被后人演绎成“几乎所有动物门类都站在同一起跑线上”,其影响巨大。

2008年,根据古生物学的许多新发现,尤其是我国澄江动物群的系列性重大发现,舒德干研究团队正式提出了“三幕式寒武纪大爆发假说”。

“假说概括地表述:现代生物学认为,整个动物界的30多个门类,由低等到高等可归纳为3个亚界,即低等的基础动物亚界,较高等的原口动物亚界和更高等的后口动物亚界;而寒武纪大爆发从5.6亿年前到5.4亿年前再到5.2亿年前,恰好也分为3个阶段,分别依次爆发式诞生了3个动物亚界的所有门类。” 舒德干说。

现在科学家已经发现的20多个门类的诞生时代都符合“三幕式寒武纪大爆发假说”,但苔藓动物门化石记录却不符合。

据了解,舒德干预言这个低等原口动物门类应该在5.3亿年前出现,但它以前的最早化石记录却在奥陶纪,至少晚了5000万年。这一直令他们深感困惑。

正是张志飞等人这项研究成果,确证苔藓动物门诞生在5.3亿年前,再次完美地支持了“三幕式寒武纪大爆发”假说的正确性,或者说进一步证实了这个假说具有可靠的科学预言性。

毫米大小的化石与艰巨的重大发现

舒德干介绍:“多个动物门类的源头探索,其中比较容易发现的门类,过去都陆续被发现了,剩下的都是一些很难啃的‘硬骨头’。苔藓动物门在海洋中是一个重要门类,很难被发现,因为它们只有毫米级大小。”

据了解,2015年,张志飞带领学生张志亮、陈飞扬等赴湖北宜昌、四川南江、陕西镇巴等地采集了大量生物碎屑灰岩。回到学校后,张志亮开始了漫长的酸蚀实验:岩样破碎、醋酸溶解、分门别类……长达3年多的时间,他处理了约3.2万枚化石。其中有一枚比芝麻还小一倍的奇特化石,让他印象深刻。

“我至今都记得把它放到显微镜下的瞬间,‘美妙惊奇、叹为观止’所有美好的词汇都不及眼下小小的世界。”张志亮回忆。“总觉得这枚化石形态结构奇特,但它到底是什么?”疑问始终困扰着他。

因对科学研究的执着,2017年,Glenn A. Brock访问西北大学时,张志亮拿出了这枚化石照片。Glenn看后,惊呼 “天哪!1993年我曾在澳大利亚见过类似的标本!”这一刻,张志亮眼睛亮了。

“5亿多年前,澳大利亚板块与中国华南板块临近,相似的化石在两个板块上的同时出现,证明我们曾经的偶然发现并非巧合!”

张志亮在澳大利亚麦考瑞大学工作期间,曾见到过那枚标本。打开显微镜的那一刻,张志亮更加坚信,在世界的某块岩石中一定还存在着它们的“兄弟姐妹”。综合分析,他初步判断,在澳大利亚弗林德斯山脉模式标本产地附近,应该会有相似的化石。

经过漫长的采样、补样,张志亮终于找到了另外4枚形态结构相似的化石。跟导师张志飞和合作专家讨论后,初步确认标本确实为苔藓动物化石,印证了他们前期的猜想。这让张志亮激动不已,“与其说是我发现了它,不如说是化石发现了我”。

张志亮在陕南找到的这枚苔藓动物化石虽然与澳大利亚的标本相似,但都没有完好保存动物的口部结构。经再和导师张志飞深入探讨后,他们共同认为还是需要继续寻找和等待,等待完备的证据发现才能逻辑严密,这是师徒共同坚守的学术标准。

功夫不负有心人。2019年,他们如愿在澳大利亚弗林德斯山脉附近找到了关键的一枚化石。

往来邮件200多封邮件与修改20版的论文

支撑材料成稿过程中,各方向专家应邀加入了研究工作,共同完善扫描电镜(SEM和BSEM)、X射线断层扫描(μ-CT)、3D可视化、系统学数据分析等研究,将学科交叉融合的优势发挥到极致。

又经过2年半的化石研究表明:苔藓动物虫室整齐的几何排列和复杂性的模块化生长起源于5.3亿年前,这是寒武纪大爆发重要的生态创新。

经过52个特征、18个类群和2个外群的最大简约法和贝叶斯分支系统学分析研究,确认了苔藓动物化石,正是现生苔藓动物最原始的祖先类型。

文章改到第20版,往来邮件200多封后,张志飞师徒认为,时机到了!2021年8月3日,他们向《自然》投出文章及文件附件,两周后便得到了官方初审通知。

 
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