作者: 张文静 来源:中国科学报 发布时间:2017/9/29 10:56:35
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石头里“淘”出6亿年前海绵祖先


 现代海绵的解剖复原图

■本报记者 张文静

这个被命名为“贵州始杯海绵”,直径只有约1毫米的微小化石,将海绵动物在地球上出现的实证记录从寒武纪向前推进了6000万年……

在贵州中部的黔南布依族苗族自治州,有个叫瓮安的小城,这里以丰富的磷矿资源著称,被誉为“亚洲磷仓”。从20世纪80年代起,越来越多的人来到这里开采磷矿。在开采过程中,不少稀奇古怪的化石被接连挖掘出来。这吸引了古生物学家的注意。1998年,古生物学家在瓮安的埃迪卡拉纪地层中陆续发现了一批独特的动物成体及胚胎化石,瓮安生物群开始扬名国际。

也正是在这里,中国科学院南京地质古生物研究所(以下简称南古所)研究员朱茂炎的团队发现了一块6.1亿年前的原始海绵动物化石——贵州始杯海绵。这个直径只有约1毫米的微小化石,将海绵动物在地球上出现的实证记录从寒武纪向前推进了6000万年。不仅如此,这块迄今为止全球发现最早且可信的原始动物实体化石,还意味着动物起源的时间可能远远早于古生物学家此前的预期。

石头里面淘化石

2006年暑假,为了写作本科毕业论文,还在读大三的殷宗军跟随导师朱茂炎第一次来到了瓮安生物群。此后,从到南古所攻读研究生,再到现在成为南古所的副研究员,殷宗军每年都要来到这里考察挖掘化石。

朱茂炎、殷宗军等人对这里充满浓厚的兴趣,是因为根据分子生物学的理论推测,早在约七八亿年前,最早的动物可能就已经出现了,但这个推测一直以来都缺乏确凿的实体化石标本予以验证,当时最早的动物化石都是来自距今约5.42亿年~4.88亿年前的寒武纪。而瓮安生物群的埃迪卡拉纪地层距今有6.1亿年的历史,由于磷酸盐化作用,这里的化石奇迹般的以三维立体形式保存至今,甚至可以保存有细胞结构,是寒武纪前动物化石挖掘和研究的绝佳之地。殷宗军等人相信,他们想要找寻的化石证据,很可能就隐藏在瓮安的地层里。

从2008年开始,殷宗军每年都要从瓮安背回一批石头。在野外用放大镜看,这些石头中都含有微粒一般的化石,但化石实在太小,肉眼无法分辨清楚,只能先背回实验室来观察。在实验室中,这些石头将经历“脱胎换骨”的过程。

“第一步是用醋酸把化石外面的石头——碳酸钙溶解掉,经过这一过程后,不溶于醋酸的磷酸盐化的化石就作为残渣被保留了下来。然后,我们将这些残渣放在显微镜下进行挑样,挑出保存完好的化石标本。然后,再用更先进的电子显微镜来进行观察,这时候,化石标本中微米、纳米尺寸的细节就能看得十分清楚了。”殷宗军介绍说。

为了对这些化石进行全方位观察,2010年,殷宗军将化石带到了欧洲同步辐射光源,给它们做了一次显微CT。“这种技术叫作三维无损成像技术,通过它看到的化石结构是三维立体的,外观和内部结构都能看得一清二楚。而且,这项技术是无损的,不需要破坏化石标本,这很重要,因为这些标本都太珍贵了,根本舍不得切开。”殷宗军说。

欧洲同步辐射光源是由十几个欧洲国家共建的大型科研装置,是免费对全世界的科研人员开放的,但需要使用者先提出申请,对方会评估这项工作的潜力和意义,然后再决定是否让其使用。

2010年10月,殷宗军恰好到欧洲同步辐射光源做为期一年的访问学者。这样好的机会,他当然不能错过。殷宗军带了一两百件标本过去,一年中,只要机器一闲下来,他就去做化石检测。

虽然化石观察的过程如此漫长,但功夫不负有心人,2011年的一天,一个类似海绵的模样终于展现在殷宗军眼前。

海绵祖先长啥样

这枚海绵化石保留着非常完好的细胞学结构,细胞已经有了分化,但没有任何其他的高等器官,也没有肌肉组织的记录。它呈一个中空的杯状结构,向上有个开口,能分清上下,但分不出前后、左右,这与现在的海绵动物一模一样。

海绵是结构最简单的多细胞动物。提到动物,人们往往想到的是有头有眼,能跑能动。但海绵这种动物的长相却很奇特,既没有头,也没有尾、躯干和四肢,以至于19世纪末博物学家发现现代海绵的时候,还曾误以为它们是植物。

“海绵没有器官和组织的分化,只有一些简单的细胞,它有一个中空的腔和不规则的外壁。”殷宗军说,“它没有消化系统,取食的方式是滤食,它有进水孔和出水孔,它的领细胞有一些纤毛,纤毛一起摆动时会形成水流,让海水从进水孔流入中央腔,然后从顶部的出水孔排出去。在这个流动的过程中,海水中的有机质颗粒会被海绵领细胞的纤毛捕捉到,然后通过包吞作用把它吃进去。这与高等动物的细胞外消化系统完全不一样,它是在细胞内消化的。”

殷宗军发现的这块化石恰恰也有进水孔和出水孔,还有一个由三个小腔组成的大的中央腔。“它只有一些简单的细胞,有一些细胞的分化,没有任何高等器官。无论从细胞学、解剖学还是从形态学等各方面来看,它跟海绵都是非常类似的。”

2015年3月,关于这块海绵化石的研究成果发表在《美国科学院院报》上。这块化石被命名为“贵州始杯海绵”——“贵州”是它的发现地,“始”是最古老的意思,“杯”就是因为它长得像杯子。

文章发表后,美国《科学》杂志纸质版立即刊发了一篇相关报告,在官网上刊发了一篇对此的报道。当年,贵州始杯海绵化石的图片入选了《科学》杂志2015年十大图片新闻。

个子小,“岁数”长

在贵州始杯海绵发现之前,所有关于确凿的海绵化石的记录都来自寒武纪,最早的是约5.3亿年前的伊朗海绵骨针。这块化石将海绵动物在地球上出现的实证记录从寒武纪向前推进了6000万年,也验证了分子生物学关于动物出现时间的推测。

“分子生物学是根据分子钟方法来推测的。它就像天气预报一样,如果预报明天下雨,那就要等到明天看是否真的下雨了,才能证实。所以,只有等我们真的在那个年代的地层中找到了海绵化石标本,才能说当时海绵动物是真的出现了。”殷宗军说道。

此后,殷宗军等人又找到一些类似的海绵化石,样子跟此前的那一块差不多。

现在的海绵体型多种多样,小的不过几克,大的能有45公斤,最大的海绵跨度有4.2米长。海绵的颜色丰富多彩,形状也千姿百态,有片状、块状、圆球状、扇状、管状、瓶状、壶状、树枝状等。

为什么6.1亿年前的海绵如此微小呢?“那个时候的动物都是很小的。”殷宗军解释说,“那时,所有的动物都生存在海水中,最重要的环境制约因素就是海水的含氧量。根据主流的地球化学研究结果,那时候的海洋并没有像现在一样完全氧化,因为那时大气的含氧量也没有现在那么高,所以当时整个海洋是分层的,表层还可能是氧化的,但含氧量也远远低于现在。动物长得越大,对氧气的需求越多,所以受制于环境因素,动物没办法长得特别大。”

“根据进化论,动物的演化并不是一个线性的过程,不是从海绵变成另一种动物,然后再演化成其他动物,而是呈现树形的分支,我们叫它生命之树。所以,贵州始杯海绵化石的发现,说明在6.1亿年前可能已经出现了其他一些比海绵更为复杂的动物,也意味着或许动物出现的时间比这还要更早。”殷宗军说,“这也为我们下一步的工作提供了理论指导和启示。”

如今,对埃迪卡拉纪的瓮安生物群的研究仍然是殷宗军的重点研究方向。“接下来,我们在瓮安生物群最重要的任务就是,找到与贵州始杯海绵同一时代的更复杂的动物。最近我们已经有了一些进展,研究结果很快就会公布出来。”

《中国科学报》 (2017-09-29 第5版 文化)
 
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