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中國科學家發現寒武紀“化石寶庫”清江生物羣紀實

http://finance.sina.com   2019年04月14日 20:34   新華社

  遙遠的5億多年前,地球上存在過哪些生物?曾令達爾文感到困惑的“寒武紀生命大爆發”到底蘊藏着哪些奧祕?生活在當下的我們該如何看待那個遙遠又遙遠的地質時代?

  近日,中國科學家在全球知名的美國《科學》雜誌上發表的論文《華南早寒武世布爾吉斯頁岩型化石庫——清江生物羣》,再次引發了圈內圈外對研究地球早期生命演化和動物門類起源話題的廣泛關注。

  中國西北大學早期生命與環境創新研究團隊張興亮、傅東靜等首次公佈了他們在湖北宜昌長陽地區發現的距今5.18億年的寒武紀特異埋藏軟軀體化石庫——“清江生物羣”。

  《科學》雜誌在給媒體的簡介中說“揭示寒武紀之祕的新寶藏出土了。”

  英國《自然》雜誌在報道中稱:“清江生物羣打開了觀察壯觀寒武紀的又一個窗口,各種新的生物類羣前所未見。”

  2014年,西北大學地質學系的師生在湖北省宜昌市丹水河進行“清江生物羣”化石挖掘。新華社發(西北大學供圖)  2014年,西北大學地質學系的師生在湖北省宜昌市丹水河進行“清江生物羣”化石挖掘。新華社發(西北大學供圖)

  “清江生物羣是令人震驚的科學發現!”瑞士洛桑大學古生物學家艾莉森·戴利在《科學》同期刊發的評論文章中說。

  這個引發國際科學界不吝讚美之辭評價的突破性發現,到底打開了怎樣的“新寶藏”?中國科學家又是如何打開並探究這個寶藏的?

  2018年,西北大學地質學系的師生在湖北省宜昌市丹水河進行“清江生物羣”化石挖掘。新華社發(西北大學供圖)  2018年,西北大學地質學系的師生在湖北省宜昌市丹水河進行“清江生物羣”化石挖掘。新華社發(西北大學供圖)

  5.18億年與12年:寒武紀“化石寶庫”漸露真容

  2007年的暑假,西北大學地質學系教授張興亮帶着傅東靜等幾名研究生在湖北宜昌長陽地區進行野外踏勘。

  這裏,羣山環抱,清江在山裏靜靜流淌着。一天傍晚,當他們沿着河邊行走時,一塊石頭引起了張興亮的注意。於是他們便拿出地質錘開始敲了起來,沒想到竟然在石頭中發現了拇指長的半隻蟲化石。這個“蝦”狀節肢動物正是布爾吉斯頁岩型化石庫很有代表性的林喬利蟲。緊接着,他們又在這個位置找到了寒武紀早期的無脊椎動物納羅蟲化石。

  儘管是一個重大發現,但從事早期生命研究的科學家似乎都特別冷靜,發現有數億年久遠歷史的化石似乎並沒讓他們一味歡呼雀躍。在與蘊藏着5億多年前生命信息的林喬利蟲化石“邂逅”之後,他們在這片區域的研究延續了12年。

  西北大學地質學系的學生用顯微鏡對“清江生物羣”中的化石進行觀察研究(4月8日攝)。新華社記者 劉瀟攝  西北大學地質學系的學生用顯微鏡對“清江生物羣”中的化石進行觀察研究(4月8日攝)。新華社記者 劉瀟攝

  發現清江生物羣的宜昌長陽地處鄂西南山區,寒武紀地層分佈廣泛。2007年後,西北大學早期生命與環境創新研究團隊的研究人員經過記不清多少次野外發掘和大量的研究工作,逐漸揭開了這個寒武紀“化石寶庫”的神祕面紗。

  “剛開始每年去清江兩三次,只要聽說水位下降,河牀露出來了,我們就去開採化石,不論颳風下雨,即使下雪也不例外。”論文第一作者傅東靜副教授回憶道。

  採集化石的過程異常艱辛。工人要用撬槓撬出來1立方米大小的石塊,科研人員用地質錘順着頁岩的層面劈,一邊劈一邊看,直到找到化石,然後是整理、編號、打包……再把挖掘的化石背出山,帶回實驗室。

  在實驗室裏,每一塊標本都要在顯微鏡下進行前期修復,使用掃描電鏡揭示化石的超微結構以及元素組成,再對化石進行高精度三維立體掃描……

  就這樣,他們在湖北大山的“石海”中搜尋,找出了兩萬多枚化石標本。

西北大學地質學系的學生在查找“清江生物羣”化石(4月8日攝)。新華社記者 劉瀟攝西北大學地質學系的學生在查找“清江生物羣”化石(4月8日攝)。新華社記者 劉瀟攝

  科研上的突破是在2014年取得的重要進展。那時,團隊已經採獲了上萬塊化石。經過無數次分析、比較、研究,團隊終於做出了這樣的判斷:這是一個能夠揭示寒武紀大爆發時期動物門類多樣性及其演化進程的重要化石寶庫。

  談到對“清江生物羣”的命名,傅東靜說,一方面是因爲化石埋藏地是在清江與丹水河的交匯處。“更重要的一個原因,是希望清江生物羣與雲南澄江生物羣日後能夠成爲享譽世界的‘中國兩江生物羣’。”

  90%對1%:科學家對“寒武紀生命大爆發”的探索

  “寒武紀生命大爆發”被稱爲古生物學和地質學上的一大“懸案”。

  在距今5.4億年的早寒武世,地球生命演化史上出現了一次規模最大、影響最深遠的生物創新事件。在不到地球生命發展史1%的時間裏迅速創生出了90%以上的動物門類。寒武紀地層突然出現了門類衆多的無脊椎動物和最古老的脊椎動物——“天下第一魚”昆明魚目化石。但是,在更爲古老的地層中,長期以來沒有找到其明顯的祖先化石,這一現象被稱作“寒武紀生命大爆發”,簡稱寒武紀大爆發。

  該如何解釋在如此短的時間內突然涌現出如此之多的動物門類?一直困擾着學術界。於是,寒武紀大爆發與生命起源、智能起源等一起被列爲“六大自然科學難題”。

  “要破解寒武紀大爆發的奧祕,需要找到可靠的化石實證。而布爾吉斯頁岩型化石庫則是探索寒武紀大爆發的最佳窗口。”傅東靜說。

  西北大學地質學系的學生在對“清江生物羣”中的化石進行觀察研究(4月8日攝)。新華社記者 劉瀟攝  西北大學地質學系的學生在對“清江生物羣”中的化石進行觀察研究(4月8日攝)。新華社記者 劉瀟攝

  布爾吉斯頁岩型化石庫,最早在1909年發現於加拿大落基山脈寒武紀中期的布爾吉斯頁岩中,並因此命名。百餘年來,這類化石庫在全球各地已發現50餘個,其中加拿大布爾吉斯頁岩生物羣和1984年發現的我國雲南澄江生物羣最爲著名,成爲“理想的頂級研究目的地”。

  “清江生物羣正是頂級的布爾吉斯頁岩型化石庫。後續挖掘、研究與保護將有可能爲探索寒武紀大爆發這一重大科學難題提供多方面科學依據。”傅東靜說。

  據介紹,對清江生物羣已經採集到的大量珍貴化石標本中的4351件進行初步研究後,已分類鑑定出109個屬,其中53%爲此前從未有過記錄的全新屬種。而且,清江生物羣中軟軀體生物居多,已發現的後生動物屬中,85%不具有礦化骨骼,絕大多數爲水母、海葵等沒有骨骼的“基礎動物”。

  更令科學家驚喜的是,清江生物羣的化石形態保真度很高,各類羣動物保存栩栩如生,動物的眼睛、神經、內臟等軟體組織和器官的形態結構清晰可見。

  生物統計學的“稀疏度曲線”分析顯示,清江生物羣的物種多樣性將有望超過已知所有寒武紀軟軀體化石庫。

“清江生物羣”中發現的新物種化石。新華社發(西北大學供圖)“清江生物羣”中發現的新物種化石。新華社發(西北大學供圖)

  “清江生物羣的特色和優勢主要體現在新屬種比例最高、後生動物相對多樣性最大、軟軀體生物類羣最多、化石形態保真度最優、原生有機質的埋藏保存最好,具有難以估量的研究潛力。”傅東靜說。

  國外的專家也非常認同中國科學家的研究成果。“(清江生物羣)化石豐富度、多樣性和保真度世界一流,科學價值巨大。後續研究將有望填補我們對於寒武紀大爆發的認知空白並解決動物門類起源演化方面一系列科學問題。”艾莉森·戴利說。

  已知和未知:“三幕式寒武紀大爆發假說”和更多的奧祕

  近年來,西北大學早期生命與環境創新研究團隊在中國科學院院士舒德干的帶領下,對澄江生物羣及寒武紀大爆發進行了長期探索,取得了系統的創新成果。

  團隊在達爾文提出的地球生命呈“樹形演化”猜想基礎上,通過數十年的研究與實證,提出了“三幕式寒武紀大爆發假說”,勾勒出了寒武紀生命大爆發分三階段依次創生了基礎動物、原口動物、後口動物三大枝系的“動物大樹”的基本輪廓,進而首次構建了完整的早期動物譜系樹框架圖。

  “隨着日後研究工作的展開和深入,清江生物羣將爲‘早期動物譜系樹’到底在哪裏分叉,在哪裏開枝散葉,找到更多生物進化的直接證據。”舒德干院士說。

“清江生物羣”中發現的分枝藻類化石。新華社發(西北大學供圖)“清江生物羣”中發現的分枝藻類化石。新華社發(西北大學供圖)

  清江生物羣距離澄江生物羣化石產地1050公里。“生物地層學研究顯示,清江生物羣和澄江生物羣是同時代的、位於不同古地理位置的生物羣。二者都距今約5.18億年,處在寒武紀生命大爆發時期動物門類爆發式出現的鼎盛時期。兩者的科學研究價值具有很強的互補性。”論文通訊作者張興亮教授說。

  與澄江生物羣相比,清江生物羣生活於遠離海岸的較深水環境,代表了不同生態環境下的全新生物羣落。“這一點從其超過半數以上的新屬種可以證實。因此,清江生物羣后續的大規模發掘,將爲發現和探索新的軀體構型和新的動物門類提供第一手材料。”張興亮說。

  更令中國科學家感到“幸運”的是:目前全球兩個保真度最高的布爾吉斯頁岩型化石庫——布爾吉斯和澄江,在埋藏之後分別經歷了高溫變質、風化作用等嚴重的地質改造,其樣本已無法用於深入開展埋藏學研究。而在清江生物羣發現的軟軀體化石,奇蹟般地以原生碳質薄膜形式保存了原始的有機質。

  因此,不僅在古生物學研究領域,清江生物羣的發現,對於進化生物學、系統發生學以及埋藏學、古生態學、地球化學等交叉學科前沿研究方向,也具有非常特殊的價值。

  “清江生物羣將爲開展埋藏學和地球化學研究,進而開展深入的古環境研究提供理想素材。困擾學術界多年的動物軟體結構特殊埋藏機制問題,或將在清江生物羣得到破解。”張興亮說。

  可以期待,隨着交叉學科研究的推進,中國的清江生物羣會帶給我們更多:生髮更多的問題,破解更多的奧祕……

西北大學地質學系的學生在查找“清江生物羣”化石(4月8日攝)。新華社記者 劉瀟攝西北大學地質學系的學生在查找“清江生物羣”化石(4月8日攝)。新華社記者 劉瀟攝
  西北大學地質學系的學生用顯微鏡對“清江生物羣”中的化石進行觀察研究(4月8日攝)。新華社記者 劉瀟攝  西北大學地質學系的學生用顯微鏡對“清江生物羣”中的化石進行觀察研究(4月8日攝)。新華社記者 劉瀟攝
  西北大學地質學系的學生用顯微鏡對“清江生物羣”中的化石進行觀察研究(4月8日攝)。新華社記者 劉瀟攝  西北大學地質學系的學生用顯微鏡對“清江生物羣”中的化石進行觀察研究(4月8日攝)。新華社記者 劉瀟攝
“清江生物羣”中發現的新物種化石。新華社發(西北大學供圖)“清江生物羣”中發現的新物種化石。新華社發(西北大學供圖)
“清江生物羣”中發現的新物種化石。新華社發(西北大學供圖)“清江生物羣”中發現的新物種化石。新華社發(西北大學供圖)
“清江生物羣”中發現的葉足動物化石。新華社發(西北大學供圖)“清江生物羣”中發現的葉足動物化石。新華社發(西北大學供圖)
“清江生物羣”中發現的林喬利蟲化石。新華社發(西北大學供圖)“清江生物羣”中發現的林喬利蟲化石。新華社發(西北大學供圖)
“清江生物羣”中發現的水母化石。新華社發(西北大學供圖)“清江生物羣”中發現的水母化石。新華社發(西北大學供圖)
寒武紀水下古生物復原圖。新華社發(西北大學供圖)寒武紀水下古生物復原圖。新華社發(西北大學供圖)
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