這種海綿化石，演化界的“羅塞塔石碑”？
“石板灘生物群”中的最早“腳印”化
文/《環(huán)球》雜志記者?王玨玢
編輯/樂艷娜
5年前，當研究團隊在三峽地區(qū)的“石板灘生物群”中一榔頭、一榔頭敲出一塊遍布多級網(wǎng)格的灰?guī)r化石，牽頭挖掘的袁訓來研究員一眼認出：“這是海綿！前寒武紀時期終于找到了這么清晰可辨的海綿化石！”
今年6月，這種5.5億年前的遠古生物被正式命名為螺旋網(wǎng)格海綿，登上國際頂級科學期刊《自然》。有審稿專家評論：這種5億多年前的海綿化石可能成為重新理解動物演化的“羅塞塔石碑”，科學家或?qū)⒂纱私忾_埋藏已久的早期動物演化之謎。
填補“消失”的1.6億年
提起海綿，大家能馬上想起經(jīng)典動畫“海綿寶寶”的主人公形象。但少有人知，“海綿寶寶”的原型是多細胞動物中最原始、最低等的一類——海綿動物。
6月5日登載在《自然》上的一種新發(fā)現(xiàn)的遠古海綿——螺旋網(wǎng)格海綿，翻開了海綿動物研究的重要一頁。從化石上看，它遠不如長著方形身體、打著領(lǐng)結(jié)的“海綿寶寶”那樣“萌”，不過個頭著實不小，錐形的身體足有三四十厘米長。5.5億年前的寒武紀海洋中已經(jīng)誕生了這樣的海綿“大家伙”，令人稱奇。
更精細的形態(tài)研究顯示，這種遠古海綿其實呈現(xiàn)類似高腳杯的形態(tài)：它的底部有盤狀的固著結(jié)構(gòu)，上半部分呈倒置的錐形，上下兩部分由“莖”狀結(jié)構(gòu)連接。在錐形身體的部分，分布著多次分級的規(guī)則網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，下部的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)呈螺旋排列，這種海綿也因此被命名為螺旋網(wǎng)格海綿。
“現(xiàn)實中，這樣類似杯狀或者形似瓶、壺的形態(tài)，更符合海綿動物的真實生活。底部的盤狀結(jié)構(gòu)，讓它們能夠直立底棲在海洋中，螺旋排列的網(wǎng)格也很可能由水流沖刷造就，海綿隨水流擺動身體，靠濾食海水當中的有機物生活。”研究論文第一作者、中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所特別研究助理王霄鵬對《環(huán)球》雜志記者說。
如果不是專門研究古生物，藏在青灰色灰?guī)r中的螺旋網(wǎng)格海綿化石很可能被當做一塊普通石板。這樣一塊并不起眼的石頭，憑什么登上頂級學術(shù)刊物《自然》？這得從海綿的“江湖地位”說起。
南京古生物所副研究員萬斌介紹，海綿動物通常被認為是最基礎(chǔ)和最原始的后生動物。在漫長的演化中，它們幸運地躲過了5次物種大滅絕存活至今。尋找和研究早期的海綿化石，很可能提供探索動物起源和早期演化模式的關(guān)鍵證據(jù)。
奇怪的是，雖然現(xiàn)代分子生物學研究和分子鐘推測表明，海綿在大約7億年前就已經(jīng)起源，但確切的化石記錄直到約5.39億年前的寒武紀才大量出現(xiàn)，中間長達約1.6億年的空缺撲朔迷離，被稱為海綿早期演化中“消失的歲月”。
“以往發(fā)現(xiàn)的前寒武紀海綿，有的微小難辨、有的特征模糊，發(fā)現(xiàn)螺旋網(wǎng)格海綿這樣大個、確切的化石，為填補‘消失’的1.6億年提供了關(guān)鍵性的實證證據(jù)。另一方面，螺旋網(wǎng)格海綿的身體骨架結(jié)構(gòu)由有機質(zhì)組成，并不具備現(xiàn)生海綿中存在的典型的礦化骨針。這也為我們打開了思路，早期海綿可能不具備礦化的骨針，身體結(jié)構(gòu)也可能與現(xiàn)生的海綿有所不同，不能完全以現(xiàn)生海綿為藍本，去尋找前寒武紀時期的化石。”萬斌說。
青石板里失落的世界
螺旋網(wǎng)格海綿化石是在三峽地區(qū)的埃迪卡拉紀燈影組石板灘段地層中發(fā)現(xiàn)的。以前，當?shù)卮迕癯＞偷厝〔模瑢⑦@里堅硬的灰?guī)r劈開變成青石板，當作瓦片蓋在房頂。直到2011年，中國古生物學家在石板灘段發(fā)現(xiàn)了典型的埃迪卡拉化石和全新的物種，“石板灘生物群”才揭開神秘的面紗，向世人展現(xiàn)出青石瓦礫中的化石寶庫。
緊挨著寒武紀之前的埃迪卡拉紀，距今有6.35億至5.39億年歷史。這時候的海底，原始的單細胞生物已經(jīng)進化為各種各樣令人驚奇的宏體多細胞真核生物。截至目前，科學家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大量這一時期的古生物化石，它們中很多體態(tài)柔軟、造型奇特，固定棲息在遠古海洋的底部。
“石板灘生物群”是中國發(fā)現(xiàn)的首個埃迪卡拉化石生物群，也是全世界為數(shù)不多保存在海相碳酸鹽巖中的埃迪卡拉化石生物群。
螺旋網(wǎng)格海綿化石的反射光照片（a）和激光掃描照片（b）
要了解寒武紀之后為何會突然迎來“生命大爆發(fā)”，必須在更古老的巖石里找答案。
近十年來，“石板灘生物群”在中國地質(zhì)古生物學者的系統(tǒng)挖掘和深入研究下不斷成果“上新”：
2018年，美國《科學》雜志子刊《科學進展》報道了在石板灘生物群中發(fā)現(xiàn)的5.5億多年前的動物“腳印”。這是迄今發(fā)現(xiàn)的地球上最早的動物足跡化石，表明寒武紀之前不僅已經(jīng)出現(xiàn)了兩側(cè)對稱動物，還很可能已經(jīng)出現(xiàn)成對的附肢；
2019年《自然》雜志又報道了在石板灘生物群中發(fā)現(xiàn)的5.5億年前的爬蟲化石：夷陵蟲。這是迄今已知最早的具有運動能力的兩側(cè)對稱動物。對稱、分節(jié)、運動，這些重要的進化特征，第一次同時“裝配”在前寒武紀動物身上，使這種類似現(xiàn)在沙蠶、蜈蚣的爬蟲具有了遠超其他埃迪卡拉紀動物的運動能力。
從最早的動物“腳印”到現(xiàn)在的螺旋網(wǎng)格海綿，重要成果一再出現(xiàn)。這說明，寒武紀之前地層中有豐富的化石存在，之后生命大爆發(fā)的起源可能就埋藏于此。中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所研究員袁訓來說，“‘石板灘生物群’就是這樣一個充滿未知的化石寶庫，你永遠不知道，下一榔頭會敲出什么驚喜。”
解開演化之謎的鑰匙
“同群的一切現(xiàn)存物種都是從一種原始祖先傳衍下來的……遠在寒武紀的地層沉積之前，應當經(jīng)歷了一個很長的時期……在這樣長久的時期里，生物已經(jīng)遍布全世界……至于為什么在最早的寒武紀以前沒有找到富含化石的沉積物，我無法給予圓滿的答復……”這是達爾文在《物種起源》里提出的困惑。
此次刊發(fā)的螺旋網(wǎng)格海綿研究，一名《自然》審稿專家評論：這種5億多年前的海綿化石，可能成為重新理解動物演化的“羅塞塔石碑”。
一種前寒武紀的海綿，為何得到如此評價？
“達爾文之困”涉及動物進化史上最波瀾壯闊的一頁——“寒武紀生命大爆發(fā)”。距今大約5.39億至5.18億年前的寒武紀初期，在短短兩千萬年時間內(nèi)，絕大多數(shù)現(xiàn)代動物門類的祖先相繼出現(xiàn)，并迅速匯入生命演化的滾滾長河，人們熟悉的現(xiàn)代海洋生態(tài)系統(tǒng)得以建立。
而在寒武紀之前，雖然已經(jīng)出現(xiàn)了埃迪卡拉生物這樣復雜、多樣的海底生物，但人們此前普遍認為，前寒武紀-寒武紀界線前后的生物群落面貌天差地別，埃迪卡拉生物親緣未知，曾被認為一群進化的“盲端”。
經(jīng)過數(shù)十年的化石積累和研究，破解演化的鑰匙正在一點點轉(zhuǎn)動。現(xiàn)在學者傾向認為，埃迪卡拉生物群中至少有一部分類型，跟現(xiàn)生的動物門類存在一定親緣關(guān)系。螺旋網(wǎng)格海綿的發(fā)現(xiàn)，為這一理論提供了有力的實證。
此次在形態(tài)研究的基礎(chǔ)上，科研團隊還進行了嚴格的系統(tǒng)發(fā)育分析，構(gòu)建了一個包含各種現(xiàn)生動物和古生代化石動物的形態(tài)數(shù)據(jù)矩陣。結(jié)果顯示，螺旋網(wǎng)格海綿化石屬于冠群海綿，并且與現(xiàn)在仍然存在的六放海綿有較為接近的親緣關(guān)系。
“這就是螺旋網(wǎng)格海綿被評價為‘羅塞塔石碑’的原因。根據(jù)古埃及托勒密王朝著名的‘羅塞塔石碑’，人們解讀出失傳千余年的埃及象形文字奧秘。現(xiàn)在，螺旋網(wǎng)格海綿再次連接起了埃迪卡拉生物群和寒武紀生物群，證明至少一部分埃迪卡拉生物與現(xiàn)生動物存在直接的演化關(guān)系。”
“螺旋網(wǎng)格海綿化石的發(fā)現(xiàn)，是對前寒武紀化石挖掘和研究形成的一項重要階段性新成果。從這個新的里程碑出發(fā)，我們終將一步步抵達生物起源和演化的核心命題。”袁訓來說。
