清江化石庫(kù)工作現(xiàn)場(chǎng)。
西北大學(xué)供圖
歷經(jīng)12個(gè)春秋，我國(guó)科學(xué)家在古生物學(xué)研究領(lǐng)域取得一項(xiàng)重大突破——發(fā)現(xiàn)“寒武紀(jì)化石寶庫(kù)”。
前不久，西北大學(xué)早期生命與環(huán)境創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)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(guó)湖北宜昌長(zhǎng)陽(yáng)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(kù)——清江生物群。
“清江生物群是令人震驚的科學(xué)發(fā)現(xiàn)!”國(guó)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(píng)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(jià)值巨大。后續(xù)研究將有望填補(bǔ)我們對(duì)于寒武紀(jì)大爆發(fā)的認(rèn)知空白并解決動(dòng)物門類起源演化方面一系列科學(xué)問(wèn)題。”
寒武紀(jì)生命大爆發(fā)之謎至今沒(méi)有破解
在不到地球歷史1%的時(shí)間誕生了絕大多數(shù)動(dòng)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(shí)間，被科學(xué)界認(rèn)為是寒武紀(jì)的開始時(shí)間。在這1000多萬(wàn)年時(shí)間內(nèi)，寒武紀(jì)地層突然出現(xiàn)了門類眾多的無(wú)脊椎動(dòng)物化石;而在早期更為古老的地層中，長(zhǎng)期以來(lái)卻一直沒(méi)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(jiǎn)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(shí)間誕生了絕大多數(shù)動(dòng)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(kù)，以找到可靠的化石實(shí)證。”張興亮教授介紹說(shuō)，1909年以來(lái)相繼發(fā)現(xiàn)的加拿大布爾吉斯生物群、中國(guó)云南澄江生物群，就是科學(xué)家夢(mèng)寐以求的珍貴化石庫(kù)。
布爾吉斯頁(yè)巖型化石庫(kù)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(yè)巖中，并因此得名。這一化石庫(kù)長(zhǎng)期在古生物學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)研究中獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。相較于常見的類似保存著脊椎動(dòng)物骨骼的硬體化石庫(kù)，布爾吉斯頁(yè)巖型化石庫(kù)不僅可以保存動(dòng)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(dòng)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(yè)巖型化石庫(kù)發(fā)現(xiàn)100多年來(lái)，此類化石庫(kù)在全球各地已發(fā)現(xiàn)50余個(gè)。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(lái)看，僅有加拿大布爾吉斯頁(yè)巖生物群和1984年發(fā)現(xiàn)的澄江生物群，成為“理想的頂級(jí)研究目的地”。
其中，澄江生物群發(fā)現(xiàn)35年來(lái)，已在數(shù)十萬(wàn)件化石標(biāo)本中發(fā)現(xiàn)了超過(guò)280個(gè)物種，相關(guān)研究成果28次登上《自然》《科學(xué)》和《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》等三大科學(xué)期刊，成為我國(guó)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(dòng)物門類起源演化方面還有許多未解之謎。于是，找到下一個(gè)“理想的頂級(jí)研究目的地”，就成為國(guó)際古生物學(xué)界的一大夢(mèng)想。
敲出了半只林喬利蟲
一個(gè)巨大的寒武紀(jì)化石寶藏逐漸顯露真容
宜昌市長(zhǎng)陽(yáng)縣地處鄂西南山區(qū)，位于長(zhǎng)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(zhǎng)陽(yáng)地區(qū)進(jìn)行考察。
“當(dāng)時(shí)的目標(biāo)層位是石牌生物群，它比澄江生物群的出現(xiàn)時(shí)間稍晚，年齡更輕。”傅東靜回憶說(shuō)，“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(zhǎng)的半只蟲化石——林喬利蟲。”
林喬利蟲是布爾吉斯頁(yè)巖化石庫(kù)很有代表性的一種“蝦”狀節(jié)肢動(dòng)物。緊接著，踏勘隊(duì)還在這個(gè)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(shí)候，第一個(gè)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(duì)長(zhǎng)期堅(jiān)持野外發(fā)掘和室內(nèi)研究，一個(gè)巨大的寒武紀(jì)化石寶庫(kù)逐漸顯露真容。
“有人說(shuō)我們運(yùn)氣好，但實(shí)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(yùn)總是降臨在有心的人身上，不是嗎?”傅東靜說(shuō)。
研究團(tuán)隊(duì)將這一化石寶藏命名為清江生物群，一個(gè)原因看是因?yàn)榛癫氐厥窃谇褰c丹江河的交匯處。更重要的一個(gè)原因，是研究團(tuán)隊(duì)希望清江與澄江生物群日后能夠成為享譽(yù)世界的“中國(guó)兩江生物群”。
研究的結(jié)果越來(lái)越令人興奮
初步研究發(fā)現(xiàn)109個(gè)屬，53%為此前從未有過(guò)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(lái)的時(shí)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(gè)化石庫(kù)的巨大潛力，研究重心徹底轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)。”傅東靜說(shuō)。
不亞于海底撈針，張興亮、傅東靜和團(tuán)隊(duì)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(wàn)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(yè)巖的層面劈，一邊劈一邊看，找到蟲子就整理、編號(hào)、打包，背出山、帶回實(shí)驗(yàn)室。然后把每一塊清理、討論、鑒定、分類、記錄。”傅東靜說(shuō)，“每一塊化石都有一個(gè)故事，每一個(gè)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(lái)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(gè)屬，其中53%為此前從未有過(guò)記錄的全新屬種!
生物統(tǒng)計(jì)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(guò)包含布爾吉斯頁(yè)巖和澄江在內(nèi)的全球已知所有寒武紀(jì)軟軀體化石庫(kù)。
據(jù)介紹，如今地球上的動(dòng)物界共有38個(gè)門，在寒武紀(jì)生命大爆發(fā)時(shí)期的化石中，已發(fā)現(xiàn)20個(gè)現(xiàn)生的動(dòng)物門類和6個(gè)已滅絕的動(dòng)物門類，但目前仍有18個(gè)現(xiàn)生動(dòng)物門類尚未在寒武紀(jì)找到化石代表。在過(guò)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(dòng)物門類的最早化石記錄。
在位于長(zhǎng)陽(yáng)丹江河附近的團(tuán)隊(duì)工作室墻上，掛著科研團(tuán)隊(duì)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(shuō)：“目前后生動(dòng)物屬中，85%不具有礦化骨骼，且絕大多數(shù)為水母、?？葲](méi)有骨骼的動(dòng)物。能發(fā)掘出如此多形態(tài)完整的軟軀體化石，實(shí)屬罕見。”
他解釋說(shuō)，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(shí)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(shí)期動(dòng)物門類爆發(fā)式出現(xiàn)的極盛時(shí)期。兩者的科學(xué)研究?jī)r(jià)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(diǎn)從其超過(guò)半數(shù)以上的新屬種可以證實(shí)。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(dòng)物門類提供第一手材料，將進(jìn)一步提高我們對(duì)寒武紀(jì)大爆發(fā)的科學(xué)認(rèn)識(shí)。
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(duì)，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(guò)數(shù)十年的研究與實(shí)證，勾勒出了寒武紀(jì)生命大爆發(fā)時(shí)基礎(chǔ)動(dòng)物、原口動(dòng)物、后口動(dòng)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(dòng)物譜系樹框架圖。
“通過(guò)我們已開展的研究發(fā)現(xiàn)，清江生物群中雙胚層輻射對(duì)稱的動(dòng)物占主導(dǎo)，刺胞動(dòng)物身體構(gòu)型分異度高，蛻皮動(dòng)物類群中極其罕見的動(dòng)吻動(dòng)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(dòng)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(shuō)。
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(dòng)物的系統(tǒng)發(fā)育、營(yíng)養(yǎng)動(dòng)力以及關(guān)鍵進(jìn)化特征的出現(xiàn)等問(wèn)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(yè)巖型化石庫(kù)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(wèn)題。
張興亮團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，目前全球兩個(gè)保真度最高的布爾吉斯頁(yè)巖型化石庫(kù)——布爾吉斯頁(yè)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(wú)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(wú)疑問(wèn)，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(dòng)物軟體結(jié)構(gòu)特殊埋藏機(jī)制問(wèn)題，或?qū)⒃谇褰锶旱玫狡平狻?rdquo;張興亮說(shuō)。
“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(bào)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(dòng)物門類起源與演化問(wèn)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(wèn)題。后續(xù)可能還需要幾十年，甚至幾代人的研究。”張興亮說(shuō)。
