清江化石庫工作現(xiàn)場。
西北大學供圖
歷經(jīng)12個春秋，我國科學家在古生物學研究領域取得一項重大突破——發(fā)現(xiàn)“寒武紀化石寶庫”。
前不久，西北大學早期生命與環(huán)境創(chuàng)新研究團隊張興亮、傅東靜等人，在《科學》雜志首次公布他們的研究成果：在中國湖北宜昌長陽地區(qū)發(fā)現(xiàn)了距今5.18億年的寒武紀特異埋藏軟軀體化石庫——清江生物群。
“清江生物群是令人震驚的科學發(fā)現(xiàn)!”國際著名古生物學家AllisonC·Daley在《科學》雜志同期刊發(fā)的題為“寒武紀化石寶藏”的評論中指出：“其化石豐富度、多樣性和保真度世界一流，科學價值巨大。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問題。”
寒武紀生命大爆發(fā)之謎至今沒有破解
在不到地球歷史1%的時間誕生了絕大多數(shù)動物門類，曾令達爾文感到困惑
大約5.42億年前到5.3億年前這段時間，被科學界認為是寒武紀的開始時間。在這1000多萬年時間內(nèi)，寒武紀地層突然出現(xiàn)了門類眾多的無脊椎動物化石;而在早期更為古老的地層中，長期以來卻一直沒有找到明顯的祖先化石。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)。
寒武紀大爆發(fā)被稱為自然科學研究領域的一大“懸案”，在不到地球歷史1%的時間誕生了絕大多數(shù)動物門類，曾令達爾文感到困惑。
“要破解寒武紀大爆發(fā)的奧秘，除了科學猜想，更需要發(fā)現(xiàn)恰當?shù)目茖W觀察窗口——化石庫，以找到可靠的化石實證。”張興亮教授介紹說，1909年以來相繼發(fā)現(xiàn)的加拿大布爾吉斯生物群、中國云南澄江生物群，就是科學家夢寐以求的珍貴化石庫。
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，并因此得名。這一化石庫長期在古生物學和進化生物學研究中獨領風騷。相較于常見的類似保存著脊椎動物骨骼的硬體化石庫，布爾吉斯頁巖型化石庫不僅可以保存動物骨骼以外的組織、器官等軟體形態(tài)，更可以保存諸如水母、海葵等軟軀體生物。這為探尋寒武紀大爆發(fā)的演化模式和強度以及構(gòu)建動物生命樹的基本結(jié)構(gòu)，提供了絕佳的化石記錄。
自布爾吉斯頁巖型化石庫發(fā)現(xiàn)100多年來，此類化石庫在全球各地已發(fā)現(xiàn)50余個。但按照化石保存質(zhì)量的優(yōu)劣及化石物種多樣性等標準來看，僅有加拿大布爾吉斯頁巖生物群和1984年發(fā)現(xiàn)的澄江生物群，成為“理想的頂級研究目的地”。
其中，澄江生物群發(fā)現(xiàn)35年來，已在數(shù)十萬件化石標本中發(fā)現(xiàn)了超過280個物種，相關(guān)研究成果28次登上《自然》《科學》和《美國科學院院報》等三大科學期刊，成為我國唯一化石地世界自然遺產(chǎn)。
盡管如此，寒武紀大爆發(fā)仍存在很大的認知空白，動物門類起源演化方面還有許多未解之謎。于是，找到下一個“理想的頂級研究目的地”，就成為國際古生物學界的一大夢想。
敲出了半只林喬利蟲
一個巨大的寒武紀化石寶藏逐漸顯露真容
宜昌市長陽縣地處鄂西南山區(qū)，位于長江和清江中下游，寒武紀地質(zhì)層分布廣泛。
2007年暑假，湖北的天氣異常炎熱。張興亮帶領傅東靜、劉偉、代韜等研究生到長陽地區(qū)進行考察。
“當時的目標層位是石牌生物群，它比澄江生物群的出現(xiàn)時間稍晚，年齡更輕。”傅東靜回憶說，“大家像往常一樣，取出地質(zhì)錘叮叮哐哐地敲。很快，張興亮老師就找到了拇指長的半只蟲化石——林喬利蟲。”
林喬利蟲是布爾吉斯頁巖化石庫很有代表性的一種“蝦”狀節(jié)肢動物。緊接著，踏勘隊還在這個位置找到了納羅蟲。而在1984年侯先光教授發(fā)現(xiàn)澄江生物群的時候，第一個發(fā)現(xiàn)的化石正是納羅蟲。
隨后的12年里，西北大學早期生命與環(huán)境創(chuàng)新研究團隊長期堅持野外發(fā)掘和室內(nèi)研究，一個巨大的寒武紀化石寶庫逐漸顯露真容。
“有人說我們運氣好，但實際上，在發(fā)現(xiàn)這只林喬利蟲之前的十幾年間，張興亮老師尋找這種化石群已經(jīng)走遍了全世界。幸運總是降臨在有心的人身上，不是嗎?”傅東靜說。
研究團隊將這一化石寶藏命名為清江生物群，一個原因看是因為化石埋藏地是在清江與丹江河的交匯處。更重要的一個原因，是研究團隊希望清江與澄江生物群日后能夠成為享譽世界的“中國兩江生物群”。
研究的結(jié)果越來越令人興奮
初步研究發(fā)現(xiàn)109個屬，53%為此前從未有過記錄的全新屬種
即便是找到了林喬利蟲和納羅蟲，在華南、華北還是有很多有潛力的化石產(chǎn)地需要去研究。“最開始我們還是全年巡回踏勘的，每年大約去清江兩三次，都是等老鄉(xiāng)告訴我們水位下去、河床露出來的時候，我們就趕緊去，下雪也不例外。直到2014年才逐步確認了這個化石庫的巨大潛力，研究重心徹底轉(zhuǎn)移過來。”傅東靜說。
不亞于海底撈針，張興亮、傅東靜和團隊里一屆又一屆的碩士、博士，在5億年前的“大海”里找出了兩萬多只“蟲子”。“工人用撬杠撬出1立方米大小的石頭，我們就用地質(zhì)錘順著頁巖的層面劈，一邊劈一邊看，找到蟲子就整理、編號、打包，背出山、帶回實驗室。然后把每一塊清理、討論、鑒定、分類、記錄。”傅東靜說，“每一塊化石都有一個故事，每一個關(guān)于它們的故事我們都爛熟于心。”
每發(fā)現(xiàn)一種寒武紀生物化石，研究者就需要大量查閱資料。研究的結(jié)果越來越令人興奮，已研究的4351件化石標本中，已初步研究發(fā)現(xiàn)109個屬，其中53%為此前從未有過記錄的全新屬種!
生物統(tǒng)計學“稀疏度曲線”分析顯示，清江生物群的物種多樣性，將有望超過包含布爾吉斯頁巖和澄江在內(nèi)的全球已知所有寒武紀軟軀體化石庫。
據(jù)介紹，如今地球上的動物界共有38個門，在寒武紀生命大爆發(fā)時期的化石中，已發(fā)現(xiàn)20個現(xiàn)生的動物門類和6個已滅絕的動物門類，但目前仍有18個現(xiàn)生動物門類尚未在寒武紀找到化石代表。在過去的35年間，古生物學家曾在澄江生物群的研究中找到了許多動物門類的最早化石記錄。
在位于長陽丹江河附近的團隊工作室墻上，掛著科研團隊用顯微鏡放大后的照片，那是科學家心中5.18億年前的海洋世界。這些古生物有的像水母、海蝦、蠕蟲，有的像西瓜、花朵……有的甚至連觸角和腹部的紋理都清晰可見，栩栩如生。
張興亮興奮地說：“目前后生動物屬中，85%不具有礦化骨骼，且絕大多數(shù)為水母、海葵等沒有骨骼的動物。能發(fā)掘出如此多形態(tài)完整的軟軀體化石，實屬罕見。”
他解釋說，這些化石的“超高保真”，是由于清江生物群化石主要以原生碳質(zhì)薄膜形式保存，未經(jīng)明顯的成巖作用和風化作用改造。
目前只是掀開了冰山一角
5.18億年前的更多未知奧秘等待科學家去探索
清江生物群距離澄江生物群1050公里。張興亮告訴我們：“生物地層學研究顯示，清江生物群和澄江生物群是同時代、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)的極盛時期。兩者的科學研究價值具有很強的互補性。”
張興亮認為，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，將進一步提高我們對寒武紀大爆發(fā)的科學認識。
此前，以中科院院士舒德干領軍的西北大學地質(zhì)學系早期生命與環(huán)境創(chuàng)新研究團隊，在達爾文提出的地球生命呈“樹形演化”猜想基礎上，通過數(shù)十年的研究與實證，勾勒出了寒武紀生命大爆發(fā)時基礎動物、原口動物、后口動物三大枝系演化“大樹”的基本輪廓，進而在全球首次構(gòu)建了完整的早期動物譜系樹框架圖。
“通過我們已開展的研究發(fā)現(xiàn)，清江生物群中雙胚層輻射對稱的動物占主導，刺胞動物身體構(gòu)型分異度高，蛻皮動物類群中極其罕見的動吻動物繁盛。此外，我們還發(fā)現(xiàn)了許多形態(tài)奇異的嶄新物種。隨著研究的展開，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)。”傅東靜說。
清江生物群化石能以原生碳質(zhì)薄膜形式保存，也是開展埋藏學和地球化學研究，進而開展深入古環(huán)境研究的理想素材。
據(jù)介紹，動物的系統(tǒng)發(fā)育、營養(yǎng)動力以及關(guān)鍵進化特征的出現(xiàn)等問題研究，依賴于發(fā)現(xiàn)更多的軟體結(jié)構(gòu)和更優(yōu)質(zhì)的形態(tài)保存，如內(nèi)臟、鰓條、脊索、神經(jīng)組織、心血管系統(tǒng)等等。然而，這些都屬于埋藏上高度不穩(wěn)定的組織器官。到底是怎樣特殊的埋藏機制，才使得布爾吉斯頁巖型化石庫能夠保存軟體結(jié)構(gòu)?這也是清江生物群今后研究需要解決的問題。
張興亮團隊認為，目前全球兩個保真度最高的布爾吉斯頁巖型化石庫——布爾吉斯頁巖生物群和澄江生物群，在埋藏之后分別經(jīng)歷了高溫變質(zhì)、風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)。
“毫無疑問，這里將為開展埋藏學和地球化學研究，進而開展深入的古環(huán)境研究提供理想素材。困擾學術(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?rdquo;張興亮說。
“清江生物群研究工作才剛剛開始，我們只是掀開了冰山神秘的一角，初步報道描述了該生物群的化石組合面貌。古生物分類學和譜系分析將解決動物門類起源與演化問題。沉積學、埋藏學、地球化學的研究將解決化石為什么保存這么好、環(huán)境條件如何等問題。后續(xù)可能還需要幾十年，甚至幾代人的研究。”張興亮說。
