生命究竟怎樣起源的?原始的脊椎動物和我們有什麼關係?

澄江生物群生態復原圖

澄江生物群發現的奇蝦化石

海口蟲化石

生命究竟怎樣起源的?原始的脊椎動物和我們有什麼關係?人類一直在探索。

近日，130餘名國內外專家學者聚首雲南澄江，共同紀念澄江生物群發現35周年，交流寒武紀大爆發研究領域的最新進展。澄江生物群與寒武紀大爆發再次引發關注。

寒武紀大爆發曾被認為是古生物學和地質學上的一大懸案，自達爾文提出進化論以來就一直困擾著學術界。寒武紀大爆發是否真實存在?人類為何要關注那些古老的生物?科技日報記者採訪了這次與會的專家。

與達爾文的漸進演變思想明顯衝突

在距今約5.3億年前後的寒武紀早期，包括脊椎動物在內的幾乎所有動物在短短幾百萬年的時間裡快速登場，節肢、腕足、蠕形、海綿、脊索動物等等一系列與現代動物形態基本相同的動物，在地球上「集體亮相」，形成了多種門類動物同時存在的繁榮景象。這一快速的生命演化事件，被稱為「寒武紀大爆發」。

寒武紀大爆發這一重大科學問題，最早源自達爾文的《物種起源》。他在書中提出，寒武紀和志留紀的三葉蟲是從生活在寒武紀以前的很長時間進化而來的，但為什麼沒有發現寒武紀之前富含化石的地層，「這種現象令人費解，這可能會成為反對本學說的有力證據。」由於寒武紀大爆發假說突出了生命演化的快速性、偶然性和保守性，與達爾文進化論的漸進演變思想明顯衝突，因而成為演化生物學和古生物學領域研究和爭論的焦點。

「在達爾文之後，直到20世紀初在加拿大落基山脈寒武紀地層發現門類複雜的動物化石，這一現象仍沒有被當作是快速演化事件來對待，而被認為是寒武紀之前地質記錄缺失和化石記錄不完整造成的假象。」中國科學院南京地質古生物研究所研究員朱茂炎介紹說，基於這種認識，進化論提出之後的百餘年時間裡，這一科學問題一直被認為是演化生物領域最具挑戰性的古生物學謎題。

1984年7月1日，當時還是中國科學院南京地質古生物研究所研究生的侯先光，在雲南澄江帽天山西面山坡上發現了納羅蟲化石。隨後，包括林橋利蟲、雲南鰓蝦、日射水母貝以及帽天山蟲等又陸續被發現，距今5.3億年前的「澄江生物群」就這樣首次呈現在世人面前。它們類型眾多，且十分珍稀地保存了動物軟體構造，栩栩如生地再現了遠古海洋生命的壯麗景觀和現生動物的原始特徵，以豐富的生物學信息為寒武紀大爆發研究提供了直接證據，在國際上被譽為「20世紀最驚人的發現之一」，為探索寒武紀生命大爆發的奧秘，開啟了一扇寶貴的科學之窗。

「從20世紀後期至今，對這些化石群的深入研究，正在為『寒武紀大爆發是一次真實的生物快速演化事件』提供越來越多的證據。」早期即參與澄江生物群研究的陳均遠研究員說。

生態驅動假說正在刷新認知

進入21世紀，科學家們將研究方向轉變為寒武紀大爆發的具體過程和幕後原因。為什麼大約38億年前生命在地球出現之後，一直要到5.3億年前的寒武紀早期才發生複雜動物的快速爆發呢?

學者們認為，伴隨著動物起源和寒武紀大爆發，地球巖石圈、大氣圈和水圈也發生了一系列重大事件。首先是巖石圈板塊的劇烈運動，隨後又發生了新元古代晚期極端氣候變化「雪球事件」，這一時期地球各圈層劇烈變化和相互作用，可能導致了多細胞生物，特別是動物的快速起源和寒武紀大爆發。21世紀開始，在雪球事件假說帶動下，寒武紀時期生物與環境協同演化研究逐漸成為地球科學交叉研究的前沿。

「生命與環境的協同演化始終是相輔相成的連環過程。」中國科學院南京地質古生物研究所研究員趙方臣告訴記者，地質學家、演化生物學家、古生物學家、進化論學者對寒武紀大爆發的關注，主要集中在環境因素、生物自身即發育基因調控網絡因素和生態效應三方面。

從新元古代晚期至寒武紀早期, 地表環境的劇烈變化, 必然會對地球生物演化產生深刻影響。同時, 生物作用又會積極地改造地表環境,從而又影響到生物的演化;在生物自身方面，動物多種多樣軀體構型的發育構建受基因調控網路的控制, 動物門類軀體構型的演化，由基因調控網路的組成和結構隨時間變化而定。它們也是動物發育演化的基本內在因素，而且在寒武紀大爆發時期已經形成。因此, 很多學者認為寒武紀大爆發是一種生態現象, 並提出不同的生態驅動學假說。「總之，隨著對世界各地生物群的深入研究，我們也在不斷刷新對寒武紀大爆發的認知。」趙方臣強調說。

延伸閱讀

揭秘寒武紀大爆發，中國科學家做了什麼

不久前，西北大學的研究人員在我國湖北省宜昌市長陽土家族自治縣發現了距今5.18億年的寒武紀特異埋藏軟軀體化石庫，命名為「清江生物群」，這是進化古生物學界的又一突破性發現。在寒武紀大爆發的研究中，中國科學家一直在向前走。

早在新中國成立初期，我國科學家就通過地質礦產調查，基本摸清了中國主要構造塊上寒武紀地層的基本情況，積累了大量古生物化石材料和數據。澄江帽天山發現之後，中國揭開影響世界寒武紀大爆發研究的高潮，在國際上取得了領先地位。由陳均遠研究員、雲南大學侯先光教授和西北大學的舒德幹教授共同領銜的「澄江生物群與寒武紀大爆發」項目，35年來描述報導了澄江生物群281種物種，歸屬20多個門級。

與此同時，科學家們在貴州凱裡發現了凱裡生物群，它們有大量與澄江動物群和布爾吉斯頁巖動物群共有的生物分子;在貴州都勻發現了動物胚胎化石，在甕安發現生物群中動物胚胎和微型成體化石。隨後，又於1997年在陝西南部寒武系底部寬川鋪組發現具有完整發育系列的動物胚胎化石。這一系列重大發現，首次揭示了早期動物的直接發育方式。

近20年來，隨著科研經費投入不斷增加，我國科學家的研究重點從過去描述化石類型為主，轉向對主要動物類群的起源、早期演化的系統學以及大爆發過程的研究，提出了寒武紀大爆發多幕式演化新模型。通過多學科交叉和國際合作，推進了全球寒武紀時期生物與環境協同演化的研究，產生了一系列重要成果。

「中國科學家在澄江生物群的研究中對寒武紀大爆發提出許多認識和見解，提出寒武紀大爆發呈階段性、蘑菇雲式爆發模型，發現了極為重要的各門類化石演化證據。」趙方臣說，動物演化存在很多中間環節，這些演化中間環節的丟失，為重建系統樹帶來困難。澄江動物化石群處於爆發式模型的蘑菇雲傘蓋部位，中國科學家的發掘、研究，為人類認識動物起源和早期演化提供了許多重要理論證據。雖然從古生物學研究的角度來看還有很多問題沒有解決，但寒武紀大爆發的謎題正在被層層揭開。(記者 趙漢斌)