雲南祿豐發現一具8米長恐龍化石 完整度超70%

在我們的印象中,5億多年前的寒武紀生命大爆發如同動物搖籃——在很短的時間內,動物化石記錄從無到有,並且迅速出現了衆多動物類羣。儘管最近數十年的化石證據發現,動物起源的時間早於寒武紀,但目前最早動物的化石記錄始終沒有早於6.6億年前。

就在今天,一項發表於《自然》雜誌的研究,有可能將這一時間大幅提前——一位加拿大地質學家提出,她找到了8.9億年前的海綿化石。但論文一經發布,爭議也接踵而至……

撰文 | 吳非

上世紀90年代的一天,正在加拿大女王大學讀博的伊麗莎白·特納(Elizabeth Turner)來到了加拿大西北地區的馬更些山脈。她所在的地點是加拿大最爲人煙罕至的地區之一,而她進入這片區域的過程更是費盡周折——由於周圍根本沒有公路,她只能乘坐直升飛機抵達附近,然後徒手向陡峭的山峯攀爬。

這位地質專業的博士生來到這裏的原因在於,這裏保存着大量疊層石。疊層石是藍細菌生命活動的產物:它們產生的黏性物質如同膠水,將海洋中的碎屑顆粒粘合起來,形成層狀的化石記錄——疊層石。目前地球上最古老生命的確鑿證據,就來自澳大利亞的35億年前的疊層石。而特納腳下的這片地區在近10億年前被廣闊的海洋覆蓋,經過之後的擡升作用,綿延的山脈攜帶着包括疊層石在內的海底地質記錄浮出水面,呈現在世人眼前。

在考察現場,受觀測工具的限制,特納能確定的信息很有限。因此,她只能儘可能多地選取代表性的樣本,將它們送到實驗室的顯微鏡下進一步研究。這時特納自己也沒有想到的是,在20多年後,她可能從疊層石這種古老的生命形態裏,找到了全世界最古老的動物。

20多年的等待

從野外回到女王大學地質科學系的實驗室裏之後,特納仔細分析了這些古老的岩石樣本。一系列定年方法已經確定,這些樣本來自大約8.9億年前的新元古代(寒武紀之前的地質年代,10億~5.4億年前)。這時,地球的面貌與今天的相距甚遠——地球的大氣層裏幾乎沒有氧氣,生命形態仍然停留在原始的微生物階段。

但當特納在顯微鏡下觀察這些來自原始階段的岩石薄片時,卻看見了令她感到震驚的圖像。在深色的疊層石中,出現了大量彼此交錯的白色樹枝狀紋路——天文愛好者可能會聯想到宇宙纖維網絡,喫貨可能會想起和牛的雪花紋路,而對特納來說,這些不到毫米尺度的結構令她頭疼卻又興奮。

此後,特納又陸續在一些其他薄片裏看到了這樣的結構。對於博士階段的特納,要解釋這些奇怪的結構實在是有些困難。當她將這些圖像發給其他研究者時,也沒有人能確定它們是如何形成的,又是否與生命存在特定的關聯。於是,特納將這些化石和心中的疑問一同暫時收藏了起來,等待讓謎底揭曉的線索出現。

最終,來自現代海綿的高清顯微鏡圖像給了特納啓發。作爲地球上結構最簡單的多細胞動物,海綿沒有肌肉、沒有神經系統,爲了生存,它們演化出了很多令人詫異的生理特徵——例如,一種由蛋白質組成的柔軟骨骼。

海綿的細胞會分泌一種特殊的蛋白質——海綿硬蛋白(spongin)。這類蛋白質能幫助海綿擁有纖維狀的柔軟骨架,正是這些骨架賦予海綿軀體柔韌性。當這些硬蛋白出現在顯微鏡下時,特納注意到,它們與8.9億年前化石中的樹枝狀結構非常相似。隨着最近幾年,一些更爲年輕的化石中同樣出現了高度相似的結構,並且被解釋爲海綿的硬蛋白遺蹟,特納開始相信,她在上世紀找到了那些化石,就是海綿的硬蛋白。

伴隨着更細緻的觀察、建模以及分析,特納在一篇剛剛發表於《自然》雜誌的論文中呈現了來自8.9億年前的生命故事。值得一提的是,與當今絕大多數依靠團隊合作完成的論文不同的是,這篇最新的論文只有特納一位作者。

在特納的故事中,在曾經的海綿在淺海中度過一生、倒向海牀,被泥沙埋藏之後,一些關鍵的轉變出現了。當海綿的軀體早已消失,它們的硬蛋白在埋藏過程中逐漸被鈣質礦物(例如方解石)替代,最終呈現出中空的管狀結構——而這也正是特納在化石裏看到的形態。

大幅提前

如果特納的推論最終得到證實,人類對於動物起源的認知將被徹底改寫。

關於動物的起源,我們最熟悉的莫過於寒武紀生命大爆發。來自全球各地的化石忠實地記錄下了這段時間海洋裏的鉅變。從5.41億年前開始,海洋中的動物似乎從無到有,突然大量湧現。在短短的2000萬年內,主要的動物類羣紛紛出現。因爲這些化石記錄,在很長一段時間內,寒武紀都被視作動物的起點。

不過最近半個世紀,不斷湧現的化石證據表明,動物爆發的時間可能需要有所提前。在早於寒武紀的埃迪卡拉紀(約6.35億~5.42億年前),多個生物羣中都出現了動物的身影。這些廣泛分佈在全球的化石記錄說明,動物的爆發時間比之前認爲的更早。可以說,這些生物羣的出現爲我們追溯複雜動物的起源提供了全新的窗口。

目前,最古老動物的確鑿證據來自5.71億年前的軟軀體動物化石,這是一種形似巨大樹葉的原始動物。不過,在直接的動物化石之外,一些間接證據將動物的誕生推向更早的年代。2018年,一項發表於《自然·生態學與演化》的研究就在來自阿曼、西伯利亞和印度的岩石中,找到了一種名爲26-甲基豆甾烷的類固醇化合物。它的特別之處在於,在自然界中,已知只有海綿才能合成這種化合物。因此,這些可以追溯到6.6億~6.35億年前的生物標記物可能表明,早在那時就已經有動物在海底生活。

相比之下,特納在最新研究中提出的動物誕生時間,遠遠早於目前的任何直接或間接化石證據。

巨大爭議

如果特納的結論最終得到證實,古生物學家們將面臨另一個更加嚴峻的難題:這些最早的動物,是如何在氧氣含量極低的地球中生存下來的,它們又是如何在隨後度過被冰雪覆蓋的雪球地球的?

當我們回顧地球的演化歷史,會發現地球的絕大多數階段都是不適合動物生存的。其中一個關鍵因素是,大氣層中豐富的氧氣,是直到“近期”才形成的。從最早的光合作用細菌出現開始,地球的氧化過程經歷了數個階段,但直到8億年前,氧氣纔開始在大氣層中積累。在此之前,地球大氣中幾乎沒有氧氣,海洋也處於嚴重缺氧的環境中——按理說,動物無法在這樣的條件下生存。

對於這一點,一些能在缺氧條件下生存的現代海綿或許可以說明,8.9億年前的環境可能是某些海綿能夠忍受的。但即便如此,這些早期動物在隨後還要面臨另一項挑戰。大約7億年前,地球遭遇了地球生命史上最嚴峻的氣候危機。這一次不是變暖,而是覆蓋全球的雪球地球。在近1億年的時間內,整個地球可能被上千米厚的冰層覆蓋,在這樣的情況下,海水中的動物又是如何克服如此極端的生存條件的?

對於古生物學家而言,這一系列問題值得他們去進一步思索——當然,這一切的前提是,特納的結論是正確的。特納找到的化石,真的是史前動物的傑作嗎?至少目前看來,這項研究一經發布,就引起了很大的爭議,並且這樣的爭議或許會長期延續下去。

目前爭議的焦點在於,這些形態化石究竟代表了什麼?是海綿,還是其他更簡單的生命?或者說,這一定是生物締造的結構嗎?

儘管在這項研究中,特納聲稱當時的微生物均無法產生類似的複雜形態,但在不少古生物學家看來,這項發現遠遠不足以與“動物”畫上等號,因爲一些其他形態的生物(微生物)也能產生這樣的樹枝狀結構。甚至有人認爲,即使不需要生物作用,礦物自身也能長出類似的形態。

顯然,無論目前的觀點如何,衆多研究者都認爲,形態學證據本身還太過單薄。遺憾的是,由於保存條件不利,這些樣本里沒能保留生物標記物的證據。或許,在下一個8.9億年前或者更早的動物化石證據出現之前,關於特納以及這些“最早動物”的爭論仍將延續下去……

原始論文:

Possible poriferan body fossils in early Neoproterozoic microbial reefs

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03773-z

本文轉自環球科學

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