“石板滩生物群”中的最早“脚印”化

文/《环球》杂志记者 王珏玢

编辑/乐艳娜

　　5年前，当研究团队在三峡地区的“石板滩生物群”中一榔头、一榔头敲出一块遍布多级网格的灰岩化石，牵头挖掘的袁训来研究员一眼认出：“这是海绵！前寒武纪时期终于找到了这么清晰可辨的海绵化石！”

　　今年6月，这种5.5亿年前的远古生物被正式命名为螺旋网格海绵，登上国际顶级科学期刊《自然》。有审稿专家评论：这种5亿多年前的海绵化石可能成为重新理解动物演化的“罗塞塔石碑”，科学家或将由此解开埋藏已久的早期动物演化之谜。

填补“消失”的1.6亿年

　　提起海绵，大家能马上想起经典动画“海绵宝宝”的主人公形象。但少有人知，“海绵宝宝”的原型是多细胞动物中最原始、最低等的一类——海绵动物。

　　6月5日登载在《自然》上的一种新发现的远古海绵——螺旋网格海绵，翻开了海绵动物研究的重要一页。从化石上看，它远不如长着方形身体、打着领结的“海绵宝宝”那样“萌”，不过个头着实不小，锥形的身体足有三四十厘米长。5.5亿年前的寒武纪海洋中已经诞生了这样的海绵“大家伙”，令人称奇。

　　更精细的形态研究显示，这种远古海绵其实呈现类似高脚杯的形态：它的底部有盘状的固着结构，上半部分呈倒置的锥形，上下两部分由“茎”状结构连接。在锥形身体的部分，分布着多次分级的规则网格状结构，下部的网格状结构呈螺旋排列，这种海绵也因此被命名为螺旋网格海绵。

　　“现实中，这样类似杯状或者形似瓶、壶的形态，更符合海绵动物的真实生活。底部的盘状结构，让它们能够直立底栖在海洋中，螺旋排列的网格也很可能由水流冲刷造就，海绵随水流摆动身体，靠滤食海水当中的有机物生活。”研究论文第一作者、中国科学院南京地质古生物研究所特别研究助理王霄鹏对《环球》杂志记者说。

　　如果不是专门研究古生物，藏在青灰色灰岩中的螺旋网格海绵化石很可能被当做一块普通石板。这样一块并不起眼的石头，凭什么登上顶级学术刊物《自然》？这得从海绵的“江湖地位”说起。

　　南京古生物所副研究员万斌介绍，海绵动物通常被认为是最基础和最原始的后生动物。在漫长的演化中，它们幸运地躲过了5次物种大灭绝存活至今。寻找和研究早期的海绵化石，很可能提供探索动物起源和早期演化模式的关键证据。

　　奇怪的是，虽然现代分子生物学研究和分子钟推测表明，海绵在大约7亿年前就已经起源，但确切的化石记录直到约5.39亿年前的寒武纪才大量出现，中间长达约1.6亿年的空缺扑朔迷离，被称为海绵早期演化中“消失的岁月”。

　　“以往发现的前寒武纪海绵，有的微小难辨、有的特征模糊，发现螺旋网格海绵这样大个、确切的化石，为填补‘消失’的1.6亿年提供了关键性的实证证据。另一方面，螺旋网格海绵的身体骨架结构由有机质组成，并不具备现生海绵中存在的典型的矿化骨针。这也为我们打开了思路，早期海绵可能不具备矿化的骨针，身体结构也可能与现生的海绵有所不同，不能完全以现生海绵为蓝本，去寻找前寒武纪时期的化石。”万斌说。

青石板里失落的世界

　　螺旋网格海绵化石是在三峡地区的埃迪卡拉纪灯影组石板滩段地层中发现的。以前，当地村民常就地取材，将这里坚硬的灰岩劈开变成青石板，当作瓦片盖在房顶。直到2011年，中国古生物学家在石板滩段发现了典型的埃迪卡拉化石和全新的物种，“石板滩生物群”才揭开神秘的面纱，向世人展现出青石瓦砾中的化石宝库。

　　紧挨着寒武纪之前的埃迪卡拉纪，距今有6.35亿至5.39亿年历史。这时候的海底，原始的单细胞生物已经进化为各种各样令人惊奇的宏体多细胞真核生物。截至目前，科学家已经发现大量这一时期的古生物化石，它们中很多体态柔软、造型奇特，固定栖息在远古海洋的底部。

　　“石板滩生物群”是中国发现的首个埃迪卡拉化石生物群，也是全世界为数不多保存在海相碳酸盐岩中的埃迪卡拉化石生物群。

螺旋网格海绵化石的反射光照片（a）和激光扫描照片（b）

　　要了解寒武纪之后为何会突然迎来“生命大爆发”，必须在更古老的岩石里找答案。

　　近十年来，“石板滩生物群”在中国地质古生物学者的系统挖掘和深入研究下不断成果“上新”：

　　2018年，美国《科学》杂志子刊《科学进展》报道了在石板滩生物群中发现的5.5亿多年前的动物“脚印”。这是迄今发现的地球上最早的动物足迹化石，表明寒武纪之前不仅已经出现了两侧对称动物，还很可能已经出现成对的附肢；

　　2019年《自然》杂志又报道了在石板滩生物群中发现的5.5亿年前的爬虫化石：夷陵虫。这是迄今已知最早的具有运动能力的两侧对称动物。对称、分节、运动，这些重要的进化特征，第一次同时“装配”在前寒武纪动物身上，使这种类似现在沙蚕、蜈蚣的爬虫具有了远超其他埃迪卡拉纪动物的运动能力。

　　从最早的动物“脚印”到现在的螺旋网格海绵，重要成果一再出现。这说明，寒武纪之前地层中有丰富的化石存在，之后生命大爆发的起源可能就埋藏于此。中国科学院南京地质古生物研究所研究员袁训来说，“‘石板滩生物群’就是这样一个充满未知的化石宝库，你永远不知道，下一榔头会敲出什么惊喜。”

解开演化之谜的钥匙

　　“同群的一切现存物种都是从一种原始祖先传衍下来的……远在寒武纪的地层沉积之前，应当经历了一个很长的时期……在这样长久的时期里，生物已经遍布全世界……至于为什么在最早的寒武纪以前没有找到富含化石的沉积物，我无法给予圆满的答复……”这是达尔文在《物种起源》里提出的困惑。

　　此次刊发的螺旋网格海绵研究，一名《自然》审稿专家评论：这种5亿多年前的海绵化石，可能成为重新理解动物演化的“罗塞塔石碑”。

　　一种前寒武纪的海绵，为何得到如此评价？

　　“达尔文之困”涉及动物进化史上最波澜壮阔的一页——“寒武纪生命大爆发”。距今大约5.39亿至5.18亿年前的寒武纪初期，在短短两千万年时间内，绝大多数现代动物门类的祖先相继出现，并迅速汇入生命演化的滚滚长河，人们熟悉的现代海洋生态系统得以建立。

　　而在寒武纪之前，虽然已经出现了埃迪卡拉生物这样复杂、多样的海底生物，但人们此前普遍认为，前寒武纪-寒武纪界线前后的生物群落面貌天差地别，埃迪卡拉生物亲缘未知，曾被认为一群进化的“盲端”。

　　经过数十年的化石积累和研究，破解演化的钥匙正在一点点转动。现在学者倾向认为，埃迪卡拉生物群中至少有一部分类型，跟现生的动物门类存在一定亲缘关系。螺旋网格海绵的发现，为这一理论提供了有力的实证。

　　此次在形态研究的基础上，科研团队还进行了严格的系统发育分析，构建了一个包含各种现生动物和古生代化石动物的形态数据矩阵。结果显示，螺旋网格海绵化石属于冠群海绵，并且与现在仍然存在的六放海绵有较为接近的亲缘关系。

　　“这就是螺旋网格海绵被评价为‘罗塞塔石碑’的原因。根据古埃及托勒密王朝著名的‘罗塞塔石碑’，人们解读出失传千余年的埃及象形文字奥秘。现在，螺旋网格海绵再次连接起了埃迪卡拉生物群和寒武纪生物群，证明至少一部分埃迪卡拉生物与现生动物存在直接的演化关系。”

　　“螺旋网格海绵化石的发现，是对前寒武纪化石挖掘和研究形成的一项重要阶段性新成果。从这个新的里程碑出发，我们终将一步步抵达生物起源和演化的核心命题。”袁训来说。