新華社西安4月14日電 題：探尋5億年前“生命大爆發(fā)”之奧秘——中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)寒武紀(jì)“化石寶庫(kù)”清江生物群紀(jì)實(shí)
新華社記者許祖華
遙遠(yuǎn)的5億多年前，地球上存在過(guò)哪些生物？曾令達(dá)爾文感到困惑的“寒武紀(jì)生命大爆發(fā)”到底蘊(yùn)藏著哪些奧秘？生活在當(dāng)下的我們?cè)撊绾慰创莻€(gè)遙遠(yuǎn)又遙遠(yuǎn)的地質(zhì)時(shí)代？
近日，中國(guó)科學(xué)家在全球知名的美國(guó)《科學(xué)》雜志上發(fā)表的論文《華南早寒武世布爾吉斯頁(yè)巖型化石庫(kù)——清江生物群》，再次引發(fā)了圈內(nèi)圈外對(duì)研究地球早期生命演化和動(dòng)物門類起源話題的廣泛關(guān)注。
中國(guó)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、傅東靜等首次公布了他們?cè)诤币瞬L(zhǎng)陽(yáng)地區(qū)發(fā)現(xiàn)的距今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”。
《科學(xué)》雜志在給媒體的簡(jiǎn)介中說(shuō)“揭示寒武紀(jì)之秘的新寶藏出土了。”
英國(guó)《自然》雜志在報(bào)道中稱：“清江生物群打開了觀察壯觀寒武紀(jì)的又一個(gè)窗口，各種新的生物類群前所未見(jiàn)。”
2014年，西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系的師生在湖北省宜昌市丹水河進(jìn)行“清江生物群”化石挖掘。新華社發(fā)（西北大學(xué)供圖）
“清江生物群是令人震驚的科學(xué)發(fā)現(xiàn)！”瑞士洛桑大學(xué)古生物學(xué)家艾莉森·戴利在《科學(xué)》同期刊發(fā)的評(píng)論文章中說(shuō)。
這個(gè)引發(fā)國(guó)際科學(xué)界不吝贊美之辭評(píng)價(jià)的突破性發(fā)現(xiàn)，到底打開了怎樣的“新寶藏”？中國(guó)科學(xué)家又是如何打開并探究這個(gè)寶藏的？
2018年，西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系的師生在湖北省宜昌市丹水河進(jìn)行“清江生物群”化石挖掘。新華社發(fā)（西北大學(xué)供圖）
5.18億年與12年：寒武紀(jì)“化石寶庫(kù)”漸露真容
2007年的暑假，西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系教授張興亮帶著傅東靜等幾名研究生在湖北宜昌長(zhǎng)陽(yáng)地區(qū)進(jìn)行野外踏勘。
這里，群山環(huán)抱，清江在山里靜靜流淌著。一天傍晚，當(dāng)他們沿著河邊行走時(shí)，一塊石頭引起了張興亮的注意。于是他們便拿出地質(zhì)錘開始敲了起來(lái)，沒(méi)想到竟然在石頭中發(fā)現(xiàn)了拇指長(zhǎng)的半只蟲化石。這個(gè)“蝦”狀節(jié)肢動(dòng)物正是布爾吉斯頁(yè)巖型化石庫(kù)很有代表性的林喬利蟲。緊接著，他們又在這個(gè)位置找到了寒武紀(jì)早期的無(wú)脊椎動(dòng)物納羅蟲化石。
盡管是一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)，但從事早期生命研究的科學(xué)家似乎都特別冷靜，發(fā)現(xiàn)有數(shù)億年久遠(yuǎn)歷史的化石似乎并沒(méi)讓他們一味歡呼雀躍。在與蘊(yùn)藏著5億多年前生命信息的林喬利蟲化石“邂逅”之后，他們?cè)谶@片區(qū)域的研究延續(xù)了12年。
西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系的學(xué)生用顯微鏡對(duì)“清江生物群”中的化石進(jìn)行觀察研究（4月8日攝）。新華社記者 劉瀟攝
發(fā)現(xiàn)清江生物群的宜昌長(zhǎng)陽(yáng)地處鄂西南山區(qū)，寒武紀(jì)地層分布廣泛。2007年后，西北大學(xué)早期生命與環(huán)境創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)的研究人員經(jīng)過(guò)記不清多少次野外發(fā)掘和大量的研究工作，逐漸揭開了這個(gè)寒武紀(jì)“化石寶庫(kù)”的神秘面紗。
“剛開始每年去清江兩三次，只要聽(tīng)說(shuō)水位下降，河床露出來(lái)了，我們就去開采化石，不論刮風(fēng)下雨，即使下雪也不例外。”論文第一作者傅東靜副教授回憶道。
采集化石的過(guò)程異常艱辛。工人要用撬杠撬出來(lái)1立方米大小的石塊，科研人員用地質(zhì)錘順著頁(yè)巖的層面劈，一邊劈一邊看，直到找到化石，然后是整理、編號(hào)、打包……再把挖掘的化石背出山，帶回實(shí)驗(yàn)室。
在實(shí)驗(yàn)室里，每一塊標(biāo)本都要在顯微鏡下進(jìn)行前期修復(fù)，使用掃描電鏡揭示化石的超微結(jié)構(gòu)以及元素組成，再對(duì)化石進(jìn)行高精度三維立體掃描……
就這樣，他們?cè)诤贝笊降摹笆！敝兴褜ぃ页隽藘扇f(wàn)多枚化石標(biāo)本。
西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系的學(xué)生在查找“清江生物群”化石（4月8日攝）。新華社記者 劉瀟攝
科研上的突破是在2014年取得的重要進(jìn)展。那時(shí)，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)采獲了上萬(wàn)塊化石。經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次分析、比較、研究，團(tuán)隊(duì)終于做出了這樣的判斷：這是一個(gè)能夠揭示寒武紀(jì)大爆發(fā)時(shí)期動(dòng)物門類多樣性及其演化進(jìn)程的重要化石寶庫(kù)。
談到對(duì)“清江生物群”的命名，傅東靜說(shuō)，一方面是因?yàn)榛癫氐厥窃谇褰c丹水河的交匯處。“更重要的一個(gè)原因，是希望清江生物群與云南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’。”
90%對(duì)1%：科學(xué)家對(duì)“寒武紀(jì)生命大爆發(fā)”的探索
“寒武紀(jì)生命大爆發(fā)”被稱為古生物學(xué)和地質(zhì)學(xué)上的一大“懸案”。
在距今5.4億年的早寒武世，地球生命演化史上出現(xiàn)了一次規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的生物創(chuàng)新事件。在不到地球生命發(fā)展史1%的時(shí)間里迅速創(chuàng)生出了90%以上的動(dòng)物門類。寒武紀(jì)地層突然出現(xiàn)了門類眾多的無(wú)脊椎動(dòng)物和最古老的脊椎動(dòng)物——“天下第一魚”昆明魚目化石。但是，在更為古老的地層中，長(zhǎng)期以來(lái)沒(méi)有找到其明顯的祖先化石，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)。
該如何解釋在如此短的時(shí)間內(nèi)突然涌現(xiàn)出如此之多的動(dòng)物門類？一直困擾著學(xué)術(shù)界。于是，寒武紀(jì)大爆發(fā)與生命起源、智能起源等一起被列為“六大自然科學(xué)難題”。
“要破解寒武紀(jì)大爆發(fā)的奧秘，需要找到可靠的化石實(shí)證。而布爾吉斯頁(yè)巖型化石庫(kù)則是探索寒武紀(jì)大爆發(fā)的最佳窗口。”傅東靜說(shuō)。
西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系的學(xué)生在對(duì)“清江生物群”中的化石進(jìn)行觀察研究（4月8日攝）。新華社記者 劉瀟攝
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，并因此命名。百余年來(lái)，這類化石庫(kù)在全球各地已發(fā)現(xiàn)50余個(gè)，其中加拿大布爾吉斯頁(yè)巖生物群和1984年發(fā)現(xiàn)的我國(guó)云南澄江生物群最為著名，成為“理想的頂級(jí)研究目的地”。
“清江生物群正是頂級(jí)的布爾吉斯頁(yè)巖型化石庫(kù)。后續(xù)挖掘、研究與保護(hù)將有可能為探索寒武紀(jì)大爆發(fā)這一重大科學(xué)難題提供多方面科學(xué)依據(jù)。”傅東靜說(shuō)。
據(jù)介紹，對(duì)清江生物群已經(jīng)采集到的大量珍貴化石標(biāo)本中的4351件進(jìn)行初步研究后，已分類鑒定出109個(gè)屬，其中53%為此前從未有過(guò)記錄的全新屬種。而且，清江生物群中軟軀體生物居多，已發(fā)現(xiàn)的后生動(dòng)物屬中，85％不具有礦化骨骼，絕大多數(shù)為水母、海葵等沒(méi)有骨骼的“基礎(chǔ)動(dòng)物”。
更令科學(xué)家驚喜的是，清江生物群的化石形態(tài)保真度很高，各類群動(dòng)物保存栩栩如生，動(dòng)物的眼睛、神經(jīng)、內(nèi)臟等軟體組織和器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn)。
生物統(tǒng)計(jì)學(xué)的“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)已知所有寒武紀(jì)軟軀體化石庫(kù)。
“清江生物群”中發(fā)現(xiàn)的新物種化石。新華社發(fā)（西北大學(xué)供圖）
“清江生物群的特色和優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在新屬種比例最高、后生動(dòng)物相對(duì)多樣性最大、軟軀體生物類群最多、化石形態(tài)保真度最優(yōu)、原生有機(jī)質(zhì)的埋藏保存最好，具有難以估量的研究潛力。”傅東靜說(shuō)。
國(guó)外的專家也非常認(rèn)同中國(guó)科學(xué)家的研究成果。“（清江生物群）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。”艾莉森·戴利說(shuō)。
已知和未知：“三幕式寒武紀(jì)大爆發(fā)假說(shuō)”和更多的奧秘
近年來(lái)，西北大學(xué)早期生命與環(huán)境創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)在中國(guó)科學(xué)院院士舒德干的帶領(lǐng)下，對(duì)澄江生物群及寒武紀(jì)大爆發(fā)進(jìn)行了長(zhǎng)期探索，取得了系統(tǒng)的創(chuàng)新成果。
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，提出了“三幕式寒武紀(jì)大爆發(fā)假說(shuō)”，勾勒出了寒武紀(jì)生命大爆發(fā)分三階段依次創(chuàng)生了基礎(chǔ)動(dòng)物、原口動(dòng)物、后口動(dòng)物三大枝系的“動(dòng)物大樹”的基本輪廓，進(jìn)而首次構(gòu)建了完整的早期動(dòng)物譜系樹框架圖。
“隨著日后研究工作的展開和深入，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)。”舒德干院士說(shuō)。
“清江生物群”中發(fā)現(xiàn)的分枝藻類化石。新華社發(fā)（西北大學(xué)供圖）
清江生物群距離澄江生物群化石產(chǎn)地1050公里。“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)代的、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)的鼎盛時(shí)期。兩者的科學(xué)研究?jī)r(jià)值具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。”論文通訊作者張興亮教授說(shuō)。
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。”張興亮說(shuō)。
更令中國(guó)科學(xué)家感到“幸運(yùn)”的是：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)——布爾吉斯和澄江，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)。
因此，不僅在古生物學(xué)研究領(lǐng)域，清江生物群的發(fā)現(xiàn)，對(duì)于進(jìn)化生物學(xué)、系統(tǒng)發(fā)生學(xué)以及埋藏學(xué)、古生態(tài)學(xué)、地球化學(xué)等交叉學(xué)科前沿研究方向，也具有非常特殊的價(jià)值。
“清江生物群將為開展埋藏學(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！睆埮d亮說(shuō)。
可以期待，隨著交叉學(xué)科研究的推進(jìn)，中國(guó)的清江生物群會(huì)帶給我們更多：生發(fā)更多的問(wèn)題，破解更多的奧秘……
西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系的學(xué)生在查找“清江生物群”化石（4月8日攝）。新華社記者 劉瀟攝
西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系的學(xué)生用顯微鏡對(duì)“清江生物群”中的化石進(jìn)行觀察研究（4月8日攝）。新華社記者 劉瀟攝
西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系的學(xué)生用顯微鏡對(duì)“清江生物群”中的化石進(jìn)行觀察研究（4月8日攝）。新華社記者 劉瀟攝
“清江生物群”中發(fā)現(xiàn)的新物種化石。新華社發(fā)（西北大學(xué)供圖）
“清江生物群”中發(fā)現(xiàn)的新物種化石。新華社發(fā)（西北大學(xué)供圖）
“清江生物群”中發(fā)現(xiàn)的葉足動(dòng)物化石。新華社發(fā)（西北大學(xué)供圖）
“清江生物群”中發(fā)現(xiàn)的林喬利蟲化石。新華社發(fā)（西北大學(xué)供圖）
“清江生物群”中發(fā)現(xiàn)的水母化石。新華社發(fā)（西北大學(xué)供圖）
寒武紀(jì)水下古生物復(fù)原圖。新華社發(fā)（西北大學(xué)供圖）
