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一只来自寒武纪的“麒麟虾”破解“达尔文困惑”


   作者:蓝忠诚 发表时间-22 :43:58  阅读( 23 )| 评论( 0 )

一只来自寒武纪的麒麟虾破解达尔文困惑

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46亿年前,地球形成,在黯淡无光的环境中,生命经历了约40亿年的漫长演化历史;直至5亿多年前的寒武纪时代,这颗蓝色星球上,包括脊椎动物在内的几乎所有动物,在短短几百万年间快速登场,一系列与现代动物形态基本相同的生物“集体亮相”,形成了多种门类动物同时存在的繁荣景象。这一快速的生命演化事件,被称为“寒武纪大爆发”。

寒武纪大爆发,因对达尔文的进化论产生了巨大挑战,成为百余年来困扰古生物学家的重大谜题。

近日,我国云南“澄江动物群”又添一项重大科学发现:一只来自5亿年前的“麒麟虾”。这在古生物界掀起波澜,它向世界再一次印证了生物进化论的预言。“麒麟虾”的发现背后,是科研人员十余年的潜心研究。

古代神话中,瑞兽麒麟,相传是一种集狮头、鹿角、虎眼、麋身、龙鳞、牛尾于一体的动物。从生物学的角度来看,这种组合了多种动物身体特征的动物,被称作“嵌合动物”。

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麒麟虾复原图

11月4日,北京三里河路,中国科学院的一间会议室里,中国科学院南京地质古生物研究所的科研人员,向大家展示了一只来自寒武纪的“麒麟”——外形酷似虾,长着五只眼睛、掠食性的“前肢”,以及硬化的表皮、多节的躯干、分节的腿肢……它组合了节肢动物祖先类型和真节肢动物的多种身体特征,被命名为“章氏麒麟虾”。

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寒武纪大爆发研究组(左起:赵方臣、朱茂炎、黄迪颖、曾晗)

中科院南古所研究员朱茂炎带领的寒武纪大爆发研究组,在澄江动物群中找到了这一打开节肢动物起源之谜的过渡型物种,它也因而成为解答“寒武纪大爆发之谜”的关键化石。北京时间11月5日零时,这项最新研究成果在英国《自然》杂志上发表。

澄江化石群挑战达尔文困惑

1859年,达尔文完成《物种起源》时恐怕想不到,自己费解了一辈子的困惑,居然被一只“虾”破题了。答题人则是中国的科学家们。中科院南古所研究员赵方臣提起这事儿很自豪:“这道题,从我导师的导师开始答,我现在还在继续答题。”

当初达尔文的困惑是“5.4亿年前至5.3亿年前,古生代之初的寒武纪生命大爆发现象——许多动物突然出现在化石记录中,在更早期的岩层中却没有明显的祖先”。

一百多年来,这道难题,困扰着一代又一代中外科学家。直到1984年,云南澄江帽天山附近,中科院南古所的科学家发现了距今约5.2亿年的澄江动物化石群。当时还是助理研究员的侯先光,一榔头下去,敲出了“一个绚烂的古生物世界”——这些生物小的仅有几毫米,大的有几十毫米甚至更大,有的像海绵,有的像蠕虫,还有像水母、像海虾,或者像帽子、像花朵、像圆盘……5亿多年的沧桑巨变,这些最原始的海洋动物软体构造保存完整,千姿百态,栩栩如生,是世界上发现最古老、保存最好的一个多门类动物化石群。而澄江动物化石群的发现,也被誉为“20世纪最惊人的发现之一”。

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澄江动物群生态复原 (杨定华绘图)

相对枯燥的科普,被赵方臣讲出来生动有趣,因为一个个数字里凝结着前辈们的努力,一个个拗口名词幕后是前辈们一锤一凿的努力。“源自澄江动物群的重大发现不断涌现。在这儿,中外古生物学家发现了远古时代的近300种、20余个动物门类,包括植物界的藻类,无脊椎动物中的节肢动物、腕足动物、蠕形动物、海绵动物等,甚至还发现了脊索动物。其中,最著名的要数完整奇虾化石的发现。”他下意识地提高声调,隆重介绍,“上世纪90年代,我导师的导师,就是南古所研究员陈均远,他和同事发现了迄今为止保存最为完整的奇虾化石。”

这种虾被称为“最早的海怪”。它长着一对带柄的巨眼,一对分节的、用于快速捕捉猎物的巨型前肢,一张形如碗口的利牙大嘴和一个美丽的大尾扇,它的个体最大可达2米以上,而当时其他大多数动物平均只有几毫米到几厘米大小,是当时海洋食物链的顶端捕食者。

这只“虾”的发现引发了世界范围内的热议。火到什么份儿上?当时连瑞典省一级的报纸都在转载报道这个发现。

“不过,奇虾还不能算是解答‘达尔文困惑’的钥匙。”赵方臣掰着手指头,将千万年的事儿快速串讲:澄江动物群中的化石发现表明,包括脊椎动物在内,几乎所有现代动物门类在5.3亿年前都已经出现了。而寒武纪大爆发开始,节肢动物便是地球上最成功的动物之一。从被誉为“寒武纪明星”的三叶虫、奇虾,到如今生活在我们身边的蝴蝶、螃蟹、虾、蜘蛛等,都是节肢动物,它们具有分节的身体和附肢。当今地球个体数量最多的动物就是节肢动物,它们占据了动物界中大约80%的物种多样性,在海、陆、空各种环境下都有它们的身影。

那么,节肢动物是怎么演化而来的?它们的祖先又长什么样?丰富的节肢动物化石便成为了破解“达尔文困惑”的“解铃石”。赵方臣举例说,螃蟹、虾等就是节肢动物进化在现代的代表,它们都有着硬化的表皮、愈合的头壳、多节的躯干和分节的腿肢等,被称为“真节肢动物”。如果画一棵“演化树”,奇虾位于这棵树的底部,它具有节肢动物的特征,但身体并没有分节,也没有硬化的表皮等形态;树冠处是真节肢动物。“中间高耸的树干,代表两者之间存在着难以跨越的演化鸿沟。”赵方臣口中的这一鸿沟,也成为探索“节肢动物起源之谜”的关键缺失环节。而新发现的麒麟虾就是这一环节中的一部分。

30接棒式勘探发现一个全新物种

找到了“缺口”,如何填补?达尔文在《物种起源》里的一段预言,点出了破解之道:“在现存和已灭绝的所有物种之间,中间和过渡环节的物种数量一定是难以想象的多。如果我的学说正确的话,它们一定在地球上生存过。”

依据达尔文进化论,想要解开“起源之谜”,科学家就需要找到动物门类起源中过渡型的祖先化石,填补缺失的空白。

1984年至今,一代代科学家从未放弃对澄江动物群的研究。30余年“接棒式”的勘探,将澄江化石研究推向了世界。

2004年初,当时还在读硕士的赵方臣,跟着导师朱茂炎去了云南澄江,那是他第一次科考。

“野外工作,是地质学科研的重中之重。”朱茂炎还是学生时,他的导师陈均远就一直将这句话挂在嘴边,当导师后,朱茂炎又讲给了赵方臣。

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野外化石采集现场

“听是一回事儿,真正懂了是在荒山野岭中。”赵方臣回忆,即便野外环境再恶劣,朱老师总能满怀着热情,投入到野外工作中。动辄需要徒步十数公里,他仍会亲自将样品手提肩扛带出来,不假他人之手。身行一例,胜过千言,一辈又一辈科研人员就是这样练就了过硬的野外能力。

“每天,顶着烈日,徒步走几公里甚至十几公里的路,有时,要在悬崖峭壁上攀岩采样,一锤一锤敲出藏在岩石里的化石。”赵方臣笑道,“其实我们每天都在重复一个动作——‘敲’,每一锤敲下去,都不知道会发生什么事情,每敲一下,心里就多一丝期待,直到看见精美的化石从岩石里显露出来。”

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赵方臣(右一)在野外科考现场

辛苦了一天,背着20公斤化石下山,赵方臣的腿开始打颤,“走到最后几公里,真是筋疲力尽,心里却像抹了蜜。”赵方臣满脸笑意。

付出终有收获。2005年,在进行化石定量采集时,赵方臣等人发掘了一个50多平方米、深度超过2米的采坑。“令人惊喜的是,坑中竟埋藏了上万个化石个体。”

在这个黄绿色泥页岩形成的“化石坑”中,他进行沉积岩石微相观察,发现这套保存精美化石的岩层,是由风暴引起絮状泥质物快速沉积形成。他推测,在寒武纪时期,这里的生物极有可能经历过一场大暴雨或者海啸,“从陆地上带来的泥沙,经过重力分选,形成细小泥,将一群小动物迅速埋藏……经过千万年的成岩作用和地质变化,化石形成,直到5.2亿年后,它们才重见天日。”

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麒麟虾化石

大量的化石标本被带回实验室,进行修复和整理。一块被劈开一角的化石,引起了赵方臣的注意:裸露的化石一角,隐约露出一个小小的、像头盔一样的头部,一对弯弯的、长满小刺的“前爪”。“这是一对很特别的前附肢,让我们立刻联想到奇虾。”回忆起发现化石的情景,赵方臣的语气中透着兴奋,“与奇虾类似,这对‘爪子’也是分节的,并且每一节都带有小刺,然而,从它显现出的头部特征来看,又与当时已报道的奇虾不同。”

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麒麟虾化石

赵方臣立刻开始对这块化石进行修理。随着修理的推进,黄绿色的岩石上,一只奇特“小虾”的身影逐渐呈现——除了和奇虾一样,长着一对带刺的“前爪”,还有多节的身体、分节的腿肢、硬化的表皮……“它什么都像,却又什么都不像,既有远古动物奇虾的特点,又和现在我们吃的虾有相似之处……”赵方臣半开玩笑道,“我们可能找到了寒武纪的‘四不像’。”但是,由于最终呈现的小虾身体并不完整,他还需要找到更多相同动物的化石。

这很有可能是一个全新的物种!为了证实自己的猜想,赵方臣开启了“寻虾之路”。此后的十余年间,他几乎踏遍了昆明周边所有的寒武纪地层化石产区,采集到另外4块形态相同的化石标本,他们还在一家自然博物馆里找到了一块保存完整的化石。“澄江动物群里,这种‘四不像’的动物化石实属罕见,能够找到6块非常难得。这其中最小的仅有1厘米左右,博物馆收集来的化石是最大的,有7厘米。但要说保存最完整、最精美的,还要数当年在‘化石坑’里整理出来的一块。”赵方臣轻轻捧起这块化石,手掌大小的黄绿色岩石上,“小虾”紫红色的身体清晰可见。

在用显微电镜对这只5厘米的“小虾”进行结构研究时,他和同事又有了新发现——“小虾”头盔似的脑袋上方,长着五只眼睛!赵方臣解释说,这五只眼睛成两排,前面是一双较大的眼睛,另外三只眼睛排列在后,“这一特征在寒武纪的节肢动物祖先类型身上可以找到,最典型的就是‘寒武纪怪物’——奥帕宾海蝎。”

但是,仅仅从化石上看到这些形态结构,是远远不够的。研究团队还需要证实“小虾”的这些结构是真实存在的。借助多种技术手段,研究团队对每一块化石展开了精细的解剖学研究。

麒麟虾给生物进化增添有力证据

随着研究的推进,“小虾”的复原图也在不断地完善,一幅又一幅图像被赵方臣带回家,引起女儿的好奇心,“爸爸,这是什么?”小女孩问。

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麒麟虾素描图

“这是来自寒武纪的‘麒麟’,你看,它有五只眼睛,这是它的爪子,连接着神经组织……”赵方臣拿出电脑,屏幕上,红色的能谱分析图像,星星点点的亮光交汇出一条弯曲的“管道”,“这条长长的,就是它的肠道。”

在化石中,动物的眼睛、肠道、消化腺、神经组织等软躯体构造,通常是最难以保存的。“要论证这些软躯体结构的存在,就需要通过扫描电镜和能谱分析,看到化石身上的元素差异。”赵方臣说,化石精美的保存状态,为他们提供了丰富的信息,通过能谱分析,“小虾”全身的元素分布呈现在计算机上。消化系统主要以碳元素保存,在降解或矿化的过程中,由于降解速度等因素的不同,碳元素留在了“原位”,保留了消化系统原本的形态。

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麒麟虾揭示的节肢动物起源和早期演化新模式 (曾晗制图).

得到了元素分布图像,还要和现代生物解剖学进行对比,结合已知的节肢动物的形态特征,判断“小虾”消化系统和神经系统的分布位置。“与脊椎动物相反,节肢动物的消化系统在背部,神经系统在腹部。”赵方臣指着一幅元素分布图,图像上,元素呈条状分布,延伸出不同的分支,连接着眼睛、腿肢、附肢等,比较解剖学研究表明:“小虾”的身体分为二十五节,每一节都有一对双肢型的腿肢,包括用于游泳的桨状外肢,以及用于行走的内肢;脑袋则像戴着一副头盔,五只眼睛正视前方,从头部的下方伸出一对像爪子一样长满小刺的附肢,表明它“捕食者”的身份。

身体具有明显的真节肢动物特征,头部却又嵌合了节肢动物祖先类型的形态构造,这只奇特的“小虾”,如同中国传统神话中的“四不像”瑞兽“麒麟”一般,身体嵌合了多种动物的形态特征。因此,赵方臣等人将它命名为“章氏麒麟虾”,“章氏”是为了致敬来自博物馆的那块化石的捐赠者。

麒麟虾的演化位置到底在哪?它是否就是达尔文所预言的“过渡型”化石?

为了揭示麒麟虾在演化长河中的意义,研究团队中的博士曾晗,在对中国澄江动物群和加拿大布尔吉斯页岩数万块节肢动物化石进行多年观察研究的基础上,整合了“节肢动物起源和早期演化”领域的二十多个形态数据集,编码了该领域最新的大型数据矩阵——包括81个分类群和283个性状,采用多种模型和参数进行了演化树重建。“谱系发生分析结果一致表明,麒麟虾的演化位置位于真节肢动物的最根部,处于奇虾类和其它真节肢动物之间。”

“麒麟虾代表了达尔文进化论预言的重要过渡型化石,给生物进化论增添了一个强有力的证据。”11月5日,凝结几代科学家心血的研究成果在国际知名期刊发表,全球瞩目。赵方臣却没有停下脚步——他又回到澄江的野外科考现场,试图探寻更多解答“达尔文困惑”的谜底。为了庆祝团队的最新发现,他将微信头像换成了女儿画的一幅“麒麟图”,他很高兴,上小学的女儿对自己的研究很感兴趣,“未来,希望这些‘小达尔文’们,能解开这棵庞大生命演化树的更多秘密……”

 



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