寒武紀生命大爆發——真相不止一個

寒武紀生命大爆發——真相不止一個

科學大院 2016-12-08閱讀原文7評

作者：馮偉民（中國科學院南京地質古生物研究所）

距今約5.3億年前，一場地球生物進化史上最為壯觀的「寒武紀生命大爆發」「驟然」上演，幾乎所有門類現生動物的祖先分子在很短的時間裡湧現了出來，其複雜而多樣的生命形態與之前漫長演化過程中出現的原始生命體截然不同。

達爾文的困惑

——謎題的產生

其實，早在一百五十多年前，這一奇特而重大的生物進化事件就引起了達爾文的高度關注。

那時，科學界還沒有發現寒武紀之前的化石，因而科學家們對這一生物重大進化現象困惑不已。達爾文甚至認為這一事實會被用作反對其進化論的有力證據。但他同時解釋到，寒武紀的動物祖先一定來自前寒武紀動物，是經過很長時間的進化過程產生的；寒武紀動物化石出現的「突然性」和前寒武紀動物化石的缺乏，是由地質記錄的不完全或是老地層淹沒在海洋中造成的。

自那以來，科學家不斷探索，尋找化石，孜孜以求地研究，以期解開國際學術界所列的「十大科學難題」之一——「寒武紀生命大爆發」（Cambrian Explosion）之謎。

三葉蟲一統天下？

——NO！

1909年7月，美國史密森自然博物館館長維爾考特（WALCOTT）在加拿大布爾吉斯山發現了6萬多塊5.15億年前寒武紀時期海生無脊椎動物的化石，顛覆了之前「寒武紀乃是三葉蟲一統天下」的認識，展現了寒武紀絢麗多彩的生命現象，進一步放大了寒武紀生物與前寒武紀生物數量和種類上的巨大反差。

布爾吉斯頁岩生物群

1946年，澳大利亞地質學家斯帕林格（SPRIGG）在澳大利亞埃迪卡拉山前寒武紀晚期（5.65億年前-5.42億年前）的砂岩中發現了一些大型多細胞生物留下來的印痕化石，其形態與現代水母、海鰓、蠕蟲和節肢動物有些相像，但他們沒有口、肛門和消化道等器官的分化，這首次從化石上印證了前寒武紀存在著多細胞生物。然而，除了極少數類型外，埃迪卡拉生物群幾乎與現代動物毫無相關。

這兩個著名生物化石群是上世紀上半葉世界上最偉大的自然科學的發現，被視為研究早期生命最經典的化石群。

埃迪卡拉生物群

解謎的關鍵

發現於雲南的澄江動物群

進入上世紀七十年代以來，一系列重大發現在中國出現，使我國迅速成為了世界研究早期生命的熱點。

首先，在雲南昆明晉寧地區梅樹村寒武紀最早期地層中發現了梅樹村動物群，這是地球生命史上首次具有真正骨骼的動物群。

八十年代初，在貴州甕安發現了六億年前的胚胎化石，將動物溯源推前了一大步。

更令人激動的是1984年，南京古生物研究所侯先光在中國雲南昆明附近首先發現了令世界為之震撼的化石寶庫——澄江動物群。

澄江動物群存在於距今5.3億年前，比著名的加拿大布爾吉斯頁岩動物群早一千多萬年，它是充分展示寒武紀生命大爆發的窗口，被譽為 「20世紀最驚人的發現之一」，並在2003年榮獲國家自然科學獎一等獎，2012年7月1日被正式列入《世界遺產名錄》。

澄江動物群的發現為解開寒武紀生命大爆發和現代生物多樣性起源之謎提供了關鍵證據。三十多年來的研究表明，澄江動物化石群是舉世罕見、保存完善、對研究地球早期生命演化起重要作用的動物化石寶庫，其中不僅有大量的海綿動物、腔腸動物、腕足動物、軟體動物和節肢動物等原口動物化石，更有棘皮動物、半索動物和脊索動物這些後口動物化石，這其中很多是鮮為人知的珍稀動物及形形色色的難以歸入已知動物門類的化石。

因此，以澄江動物群為代表的寒武紀生命大爆發生動地再現了距今5.3億年前海洋生物世界的真實面貌，將包括脊索動物在內的現生動物門類的最早化石記錄追溯到了寒武紀早期。

雲南澄江動物群

動物門類

大爆發

寒武紀生命大爆發是地球生命進化史上的一大奇觀，其最顯著的標誌是「突然」湧現了大量的動物門類。

前寒武紀埃迪卡拉世晚期僅出現少數動物門類，如硅質海綿動物門，刺絲胞動物和櫛水母動物等基礎動物門類。此階段動物造型以輻射對稱、二極或單極為主。但是，在寒武系前三個階段，即好運階、第二階和第三階大約二千萬年內，動物門類的數量快速增長，新門類不斷地出現。

尤其是第三階，門類數量呈跳躍式增長，新出現了14 個動物門，主要是兩側對稱的後生動物，同時現代具礦化骨骼的生物門類全部產生。

截至寒武系第三階，共有20個現生動物門類相繼出現，如硅質海綿動物、鈣質海綿動物、刺細胞動物、櫛水母動物、軟體動物、腕足動物、帚蟲動物、星蟲動物、環節動物、毛額動物、鎧甲動物、曵鰓動物、有爪動物、節肢動物、腸鰓動物、羽鰓動物、棘皮動物、頭索動物、尾索動物和脊椎動物，另有許多已滅絕的動物門類。

同樣令人叫絕的是，澄江生物群大量原位埋藏的軟軀體化石組合在揭示以澄江生物群為代表的寒武紀早期海洋生物群落方面顯示了巨大的科學價值。

其中，動物化石的軟軀體保存極為完整，90%以上還保留了諸如眼睛、附肢、口器、消化道（有的消化道中有食物殘留）等軟體組織印痕，其姿態千奇百怪，有站立、爬行、進食、鑽孔等姿態，還有大量遺迹化石，如糞便、運動痕迹等等，為研究寒武紀早期動物大爆發及這個時期動物的解剖構造、功能形態、生活習性、系統演化、生態環境、埋藏條件和保護方式提供了重要的化石依據。

這對推動生命起源和進化理論等方面的研究具有非凡的價值。因而，澄江動物化石群與澳大利亞埃迪卡拉動物群、加拿大布爾吉斯動物群一起被古生物學家列為地球早期生命起源和演化實例的三大奇蹟。

動物世界

的曙光

澄江動物群研究表明，寒武紀生命大爆發是地球歷史時期成種作用和生物分異最強烈、高級分類階元誕生最頻繁、最集中、功能形態懸殊度最顯著、生物結構造型可塑性最強的一次特大型生物演化輻射事件，是地球生命進化史上最壯觀的輻射事件。

這一系列早期生命化石群的發現，揭示了寒武紀生命大爆發是由序幕、次幕和主幕組成的。

序幕可以追溯到六億年前甕安生物群和稍後的埃迪卡拉生物群，它們主要構建了基礎動物，迎來了動物世界的黎明。

次幕則是梅樹村生物群，形成了原口動物的框架，從此開始了骨骼生物大發展的時代。

而澄江動物群毫無疑義代表了寒武紀生命大爆發的主幕，因為在不到地球生命史千分之一的時間內，建立起由基礎動物、原口動物和後口動物組成的完整生命之樹，引發了之後五億年來生生不息的生物進化浪潮，直至當今地球生物圈的形成。

寒武紀生命大爆發

的原因是什麼？

是什麼原因導致了寒武紀生命大爆發？這是今天地球生命科學的一大懸案，吸引了古生物學家、生物學家、生態學家、物理學家等許多學科的科學家持續不斷地探究。

前寒武紀化石資料表明，真核藻類至少在距今12億年前就出現了有性生殖現象。有性生殖的發生在整個生物界的進化過程中有著極其重大的作用，它加速了遺傳變異性，大大增加了生物的多樣性。

其次，寒武紀之初，地球大氣的氧水平達到一定的臨界點，不僅使後生動物得到了用於呼吸作用所需要的氧，而且使動物的機能和器官得以充分發育，出現了口器、眼睛、觸手、脊索等。同時臭氧在大氣中吸收大量有害的紫外線，使得後生動物免於有害輻射的損傷。

再如，寒武紀大爆發的關鍵是動物「收割者」的出現和進化，即食用原核細胞（藍藻）的原始動物的出現和進化。「收割者」為生產者有更豐富的多樣性製造了空間，而這種生產者多樣性的增加導致了更特異的「收割者」的進化。

這一時期，營養級金字塔按兩個方向迅速發展：較低層次的生產者增加了許多新物種，豐富了物種多樣性。在頂端又增加了新的「收割者」，豐富了營養級的多樣性。從而使得整個生態系統的生物多樣性不斷豐富，最終導致了寒武紀生命大爆發。

動物形態藍圖設計師

——Hox基因

此外，幾乎所有動物的門類在這較短的時間內進化出來，可能與Hox基因的調控有直接的關係。

Hox基因是一種「同源異形」基因，是動物形態藍圖的設計師，在發育過程中控制身體各部分形成的位置。如果Hox基因發生突變，會使動物某一部位的器官變成其他部位的器官，這就叫做「同源異形」。比如，讓某個「同源異形」基因發生突變，能使果蠅的身體到處長眼睛，或者在該長眼睛的地方長出翅膀，在該長觸角的地方長出了腳。

Hox基因在所有的脊椎動物和絕大部分無脊椎動物中都存在，調控的機理也相似。這表明它可能是最古老的基因之一，在最早的動物祖先中就已存在。

Hox基因的突變，在胚胎早期引起的變化不大，但隨著組織、器官的分化定型，突變的影響逐步被放大，導致身體結構發生重大的改變，使身體結構變得多姿多彩。

澄江動物群充分證實了寒武紀生命大爆發的存在，也為「間斷平衡」理論提供了新的依據。事實上，在漫長的地球生命進化史上，既有緩慢的漸進演化，也有劇烈的躍進演化，是漸進與躍進並存的演化過程。因此，澄江動物群的發現真實地揭示了地球生命進化中所呈現的大輻射的壯麗景觀，大大豐富了達爾文生物進化論。

澄江動物群無愧於世界文化遺產的瑰寶，是中國奉獻給全人類的寶貴財富。