作者:刘芸 赵方臣 来源:中科院之声 发布时间:2022/5/14 9:11:46
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生命演化故事补上新拼图——“临沂动物群”

 

对于过去,人类一直饱有天生的好奇和敬畏;对于生命,人类也从未停止探索的脚步。

在距今约5.3亿年前,寒武纪生命大爆发,多细胞动物的多样性出现了爆发式的增长,节肢、腕足、蠕形、海绵、脊索动物等一系列与现代动物形态基本相同的动物在地球上来了个“集体亮相”。比如当时的“海洋霸主”奇虾;品种繁多有长着尖刺、有长着“兔耳朵”的三叶虫等等。随后,包括脊椎动物在内的几乎所有动物门类(不同的门类代表了不同的形体构型)在2000万年的时间内快速出现,前寒武纪寂静的海洋瞬间变得热闹非凡。

耳形范特西虫(Phantaspis auritus)复原图(霍秀泉 绘)

在不到地球历史1%的时间里,寒武纪生命大爆发诞生了地球上绝大多数动物门类,奠定了现今动物门类多样性的框架。因此,寒武纪大爆发的相关问题一直是古生物学界研究的核心,而富含精美的多门类软躯体化石的寒武纪特异埋藏化石库则是了解这一重大生物演化事件的主要窗口。

为解开这个谜题,科学家在世界各地广泛寻找、收集寒武纪生物化石。但寒武纪特异埋藏化石库的时空分布不均匀。目前,大多数著名的寒武纪特异埋藏化石库都集中分布在华南板块和劳伦大陆(今北美大陆的主体),比如大家比较熟悉的布尔吉斯动物群在北美洲的加拿大发现,澄江动物群在我国的云南发现;而2019年在宜昌发现的清江生物群,与澄江动物群也都同属于华南板块。因而,客观条件在很大程度上制约了我们对寒武纪演化动物群面貌和格局的全面认识。

澄江动物群复原图(杨定华 绘)

在寒武纪时期,地球大陆的板块并不是我们现在看到的样子,我国的华北板块与长江流域的场子地台和华南地区的华南褶皱区处于分离状态。作为中国传统“中寒武统”的标准地区,华北板块的寒武纪中期地层序列完整、化石丰富,是寻找该时期特异埋藏化石库的潜力股。为此,科研人员将目光投向华北板块,并在这一地区展开了大量野外工作。因为从理论上来说,华北板块是不应该错过寒武纪生命大爆发的。

我们知道软躯体动物极易分解腐化,很难保存为化石,只有在特定条件下才能形成化石。此前科学家在华北地区也采集过大量寒武纪化石,多数都是保存在硬质的碳酸岩中,化石也大多为三叶虫的骨片,而对泥岩的采集鲜有涉足。

经过对软躯体化石保存条件的深入研究,中国科学院南京地质古生物研究所寒武纪大爆发研究团队在山东省临沂市西郊地区开展了综合研究工作,并就代表性层位和剖面进行了集中采集,并且加强对该地区细腻泥岩的挖掘,收集到了数千枚精美的化石标本。

科考人员在临沂地区野外工作照片,从左到右:曾晗、唐永刚、孙智新、赵方臣

与其他经典的布尔吉斯页岩型特异埋藏化石库一样,临沂特异埋藏化石库中的软躯体结构以碳膜的形式保存在背景层与事件层交互出现的地层中,证实了类似的埋藏学路径在软躯体化石保存中具有普遍性。研究人员在寺口剖面的寒武系张夏组盘车沟段下部黑色与黄绿色页岩中发现大量软躯体化石。根据其中的三叶虫,确定特异埋藏化石库的时代为距今约5.04亿年寒武纪苗岭世鼓山期的早期,稍微晚于布尔吉斯页岩生物群。

这是在华北地区首次发现寒武纪特异埋藏化石库,研究人员将其命名为“临沂动物群”。这一发现让我们对5亿年前发生在华北板块上的生命演化故事,有了更多能够去拓展的认识,也为研究地球生命演化打开了一扇新的窗口,补上了一块新的拼图。研究成果发表于《国家科学评论》。

临沂生物群复原图(杨定华 绘)

“临沂动物群”中的化石大部分都以软躯体形式保存,并且很多精细的解剖结构也都被完整保存下来,如附肢、眼睛、消化系统和刚毛等,为我们充分了解因而生物解剖结构给提供了机会。目前,研究人员在 “临沂动物群”中已发现超过35个化石类群,极大地丰富了我们对这一时期海洋生物与群落多样性面貌的认知。其中组合中多样性最高的类群是非三叶虫节肢动物,其中又以奇虾类和莫里森虫类最为引人注目。除节肢动物以外,多样的海绵动物和蠕虫状动物也值得进一步深入研究。

临沂动物群中的代表性类群。A. 刺迷音虫;B. 对称莫里森虫;C. 群体的对角海绵;D. 唐氏迷音虫;E. 线纹心虾的口器;F, 标准长清虫;G, 未定的蠕虫状动物;H. 线纹心虾的前附肢;I. 抱怪虫类的前附肢

事实上,当时华北板块中临沂所在的位置,大概位于华南和加拿大中间,是茫茫大洋中的一块孤岛,而华南板块远在数千公里之外。我们知道澄江动物群代表了寒武纪生命大爆发的高峰期,生命演化是有连续性的,在此之后,生命是如何演化?呈现什么规律?又与奥陶纪生命大辐射如何衔接?

解开上述重重谜团就需要“中寒武统”的华北板块“接力”跑下去。此次在华北板块发现的‘临沂动物群’正好接上了澄江动物群,进而可以探索研究两者之间的相关性。并且,“临沂动物群”还与同期的北美特异埋藏化石库之间存在许多相同的生物类型,比如迷音虫和莫里森虫等一些珍稀节肢动物,这暗示了华北与北美软躯体动物群在这一时期的密切联系。通过聚类分析、非度量性多维标度变换和网络分析等定量分析手段,表明华北可能充当着东冈瓦纳与北美之间的生物地理纽带。不过,由于来自不同角度的古地理证据尚存在差异,这种联系的生物地理解释还需要进一步的研究评估。

16个主要的寒武纪特异埋藏化石库的时空分布和多样性,及临沂动物群在其中的位置

作为华北板块第一个被综合研究的寒武纪特异埋藏化石库,有待进一步发掘研究,科学家对“临沂动物群”寄予厚望,希望在更晚的地层中获得新的发现,把寒武纪到奥陶纪的生命演化故事讲得更完整。

来源:中国科学院南京地质古生物研究所

 
 
 
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