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——中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)寒武紀“化石寶庫”清江生物群紀實
新華社記者許祖華
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(fā)”到底蘊藏著哪些奧秘？生活在當下的我們該如何看待那個遙遠又遙遠的地質(zhì)時代？
近日，中國科學(xué)家在全球知名的美國《科學(xué)》雜志上發(fā)表的論文《華南早寒武世布爾吉斯頁巖型化石庫——清江生物群》，再次引發(fā)了圈內(nèi)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(guān)注。
中國西北大學(xué)早期生命與環(huán)境創(chuàng)新研究團隊張興亮、傅東靜等首次公布了他們在湖北宜昌長陽地區(qū)發(fā)現(xiàn)的距今5.18億年的寒武紀特異埋藏軟軀體化石庫——“清江生物群”。
《科學(xué)》雜志在給媒體的簡介中說“揭示寒武紀之秘的新寶藏出土了。”
英國《自然》雜志在報道中稱：“清江生物群打開了觀察壯觀寒武紀的又一個窗口，各種新的生物類群前所未見。”
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)的評論文章中說。
這個引發(fā)國際科學(xué)界不吝贊美之辭評價的突破性發(fā)現(xiàn)，到底打開了怎樣的“新寶藏”？中國科學(xué)家又是如何打開并探究這個寶藏的？
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“化石寶庫”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陽地區(qū)進行野外踏勘。
這里，群山環(huán)抱，清江在山里靜靜流淌著。一天傍晚，當他們沿著河邊行走時，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，沒想到竟然在石頭中發(fā)現(xiàn)了拇指長的半只蟲化石。這個“蝦”狀節(jié)肢動物正是布爾吉斯頁巖型化石庫很有代表性的林喬利蟲。緊接著，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。
盡管是一個重大發(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)億年久遠歷史的化石似乎并沒讓他們一味歡呼雀躍。在與蘊藏著5億多年前生命信息的林喬利蟲化石“邂逅”之后，他們在這片區(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“清江生物群”中的化石進行觀察研究（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陽地處鄂西南山區(qū)，寒武紀地層分布廣泛。2007年后，西北大學(xué)早期生命與環(huán)境創(chuàng)新研究團隊的研究人員經(jīng)過記不清多少次野外發(fā)掘和大量的研究工作，逐漸揭開了這個寒武紀“化石寶庫”的神秘面紗。
“剛開始每年去清江兩三次，只要聽說水位下降，河床露出來了，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。
采集化石的過程異常艱辛。工人要用撬杠撬出來1立方米大小的石塊，科研人員用地質(zhì)錘順著頁巖的層面劈，一邊劈一邊看，直到找到化石，然后是整理、編號、打包……再把挖掘的化石背出山，帶回實驗室。
在實驗室里，每一塊標本都要在顯微鏡下進行前期修復(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(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年取得的重要進展。那時，團隊已經(jīng)采獲了上萬塊化石。經(jīng)過無數(shù)次分析、比較、研究，團隊終于做出了這樣的判斷：這是一個能夠揭示寒武紀大爆發(fā)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“清江生物群”的命名，傅東靜說，一方面是因為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，是希望清江生物群與云南澄江生物群日后能夠成為享譽世界的‘中國兩江生物群’。”
90%對1%：科學(xué)家對“寒武紀生命大爆發(fā)”的探索
“寒武紀生命大爆發(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、影響最深遠的生物創(chuàng)新事件。在不到地球生命發(fā)展史1%的時間里迅速創(chuàng)生出了90%以上的動物門類。寒武紀地層突然出現(xiàn)了門類眾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，在更為古老的地層中，長期以來沒有找到其明顯的祖先化石，這一現(xiàn)象被稱作“寒武紀生命大爆發(fā)”，簡稱寒武紀大爆發(fā)。
該如何解釋在如此短的時間內(nèi)突然涌現(xiàn)出如此之多的動物門類？一直困擾著學(xué)術(shù)界。于是，寒武紀大爆發(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”。
“要破解寒武紀大爆發(fā)的奧秘，需要找到可靠的化石實證。而布爾吉斯頁巖型化石庫則是探索寒武紀大爆發(fā)的最佳窗口。”傅東靜說。
西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系的學(xué)生在對“清江生物群”中的化石進行觀察研究（4月8日攝）。新華社記者 劉瀟攝
布爾吉斯頁巖型化石庫，最早在1909年發(fā)現(xiàn)于加拿大落基山脈寒武紀中期的布爾吉斯頁巖中，并因此命名。百余年來，這類化石庫在全球各地已發(fā)現(xiàn)50余個，其中加拿大布爾吉斯頁巖生物群和1984年發(fā)現(xiàn)的我國云南澄江生物群最為著名，成為“理想的頂級研究目的地”。
“清江生物群正是頂級的布爾吉斯頁巖型化石庫。后續(xù)挖掘、研究與保護將有可能為探索寒武紀大爆發(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。
據(jù)介紹，對清江生物群已經(jīng)采集到的大量珍貴化石標本中的4351件進行初步研究后，已分類鑒定出109個屬，其中53%為此前從未有過記錄的全新屬種。而且，清江生物群中軟軀體生物居多，已發(fā)現(xiàn)的后生動物屬中，85％不具有礦化骨骼，絕大多數(shù)為水母、海葵等沒有骨骼的“基礎(chǔ)動物”。
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，各類群動物保存栩栩如生，動物的眼睛、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。
生物統(tǒng)計學(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已知所有寒武紀軟軀體化石庫。
“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)勢主要體現(xiàn)在新屬種比例最高、后生動物相對多樣性最大、軟軀體生物類群最多、化石形態(tài)保真度最優(yōu)、原生有機質(zhì)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(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)價值巨大。后續(xù)研究將有望填補我們對于寒武紀大爆發(fā)的認知空白并解決動物門類起源演化方面一系列科學(xué)問題。”艾莉森·戴利說。
已知和未知：“三幕式寒武紀大爆發(fā)假說”和更多的奧秘
近年來，西北大學(xué)早期生命與環(huán)境創(chuàng)新研究團隊在中國科學(xué)院院士舒德干的帶領(lǐng)下，對澄江生物群及寒武紀大爆發(fā)進行了長期探索，取得了系統(tǒng)的創(chuàng)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(chǔ)上，通過數(shù)十年的研究與實證，提出了“三幕式寒武紀大爆發(fā)假說”，勾勒出了寒武紀生命大爆發(fā)分三階段依次創(chuàng)生了基礎(chǔ)動物、原口動物、后口動物三大枝系的“動物大樹”的基本輪廓，進而首次構(gòu)建了完整的早期動物譜系樹框架圖。
“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，找到更多生物進化的直接證據(jù)。”舒德干院士說。
“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，處在寒武紀生命大爆發(fā)時期動物門類爆發(fā)式出現(xiàn)的鼎盛時期。兩者的科學(xué)研究價值具有很強的互補性。”論文通訊作者張興亮教授說。
與澄江生物群相比，清江生物群生活于遠離海岸的較深水環(huán)境，代表了不同生態(tài)環(huán)境下的全新生物群落。“這一點從其超過半數(shù)以上的新屬種可以證實。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)型和新的動物門類提供第一手材料。”張興亮說。
更令中國科學(xué)家感到“幸運”的是：目前全球兩個保真度最高的布爾吉斯頁巖型化石庫——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)化作用等嚴重的地質(zhì)改造，其樣本已無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)，對于進化生物學(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值。
“清江生物群將為開展埋藏學(xué)和地球化學(xué)研究，進而開展深入的古環(huán)境研究提供理想素材。困擾學(xué)術(shù)界多年的動物軟體結(jié)構(gòu)特殊埋藏機制問題，或?qū)⒃谇褰锶旱玫狡平狻！睆埮d亮說。
可以期待，隨著交叉學(xué)科研究的推進，中國的清江生物群會帶給我們更多：生發(fā)更多的問題，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“清江生物群”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(xué)地質(zhì)學(xué)系的學(xué)生用顯微鏡對“清江生物群”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）
寒武紀水下古生物復(fù)原圖。新華社發(fā)（西北大學(xué)供圖）
