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伊麗莎白·特納（圖片來(lái)源：勞倫森大學(xué)）

 

在我們的印象中，5億多年前的寒武紀(jì)生命大爆發(fā)如同動(dòng)物搖籃——在很短的時(shí)間內(nèi)，動(dòng)物化石記錄從無(wú)到有，并且迅速出現(xiàn)了眾多動(dòng)物類(lèi)群。盡管最近數(shù)十年的化石證據(jù)發(fā)現(xiàn)，動(dòng)物起源的時(shí)間早于寒武紀(jì)，但目前最早動(dòng)物的化石記錄始終沒(méi)有早于6.6億年前。

就在今天，一項(xiàng)發(fā)表于《自然》雜志的研究，有可能將這一時(shí)間大幅提前——一位加拿大地質(zhì)學(xué)家提出，她找到了8.9億年前的海綿化石。但論文一經(jīng)發(fā)布，爭(zhēng)議也接踵而至……

 

撰文 | 吳非

 

上世紀(jì)90年代的一天，正在加拿大女王大學(xué)讀博的伊麗莎白·特納（Elizabeth Turner）來(lái)到了加拿大西北地區(qū)的馬更些山脈。她所在的地點(diǎn)是加拿大最為人煙罕至的地區(qū)之一，而她進(jìn)入這片區(qū)域的過(guò)程更是費(fèi)盡周折——由于周?chē)緵](méi)有公路，她只能乘坐直升飛機(jī)抵達(dá)附近，然后徒手向陡峭的山峰攀爬。

 

上世紀(jì)90年代，特納找到化石的地區(qū)（圖片來(lái)源：特納/勞倫森大學(xué)）

 

這位地質(zhì)專(zhuān)業(yè)的博士生來(lái)到這里的原因在于，這里保存著大量疊層石。疊層石是藍(lán)細(xì)菌生命活動(dòng)的產(chǎn)物：它們產(chǎn)生的黏性物質(zhì)如同膠水，將海洋中的碎屑顆粒粘合起來(lái)，形成層狀的化石記錄——疊層石。目前地球上最古老生命的確鑿證據(jù)，就來(lái)自澳大利亞的35億年前的疊層石。而特納腳下的這片地區(qū)在近10億年前被廣闊的海洋覆蓋，經(jīng)過(guò)之后的抬升作用，綿延的山脈攜帶著包括疊層石在內(nèi)的海底地質(zhì)記錄浮出水面，呈現(xiàn)在世人眼前。

 

在考察現(xiàn)場(chǎng)，受觀測(cè)工具的限制，特納能確定的信息很有限。因此，她只能盡可能多地選取代表性的樣本，將它們送到實(shí)驗(yàn)室的顯微鏡下進(jìn)一步研究。這時(shí)特納自己也沒(méi)有想到的是，在20多年后，她可能從疊層石這種古老的生命形態(tài)里，找到了全世界最古老的動(dòng)物。

 

 

20多年的等待

 

從野外回到女王大學(xué)地質(zhì)科學(xué)系的實(shí)驗(yàn)室里之后，特納仔細(xì)分析了這些古老的巖石樣本。一系列定年方法已經(jīng)確定，這些樣本來(lái)自大約8.9億年前的新元古代（寒武紀(jì)之前的地質(zhì)年代，10億~5.4億年前）。這時(shí)，地球的面貌與今天的相距甚遠(yuǎn)——地球的大氣層里幾乎沒(méi)有氧氣，生命形態(tài)仍然停留在原始的微生物階段。

 

但當(dāng)特納在顯微鏡下觀察這些來(lái)自原始階段的巖石薄片時(shí)，卻看見(jiàn)了令她感到震驚的圖像。在深色的疊層石中，出現(xiàn)了大量彼此交錯(cuò)的白色樹(shù)枝狀紋路——天文愛(ài)好者可能會(huì)聯(lián)想到宇宙纖維網(wǎng)絡(luò)，吃貨可能會(huì)想起和牛的雪花紋路，而對(duì)特納來(lái)說(shuō)，這些不到毫米尺度的結(jié)構(gòu)令她頭疼卻又興奮。

 

特納在顯微鏡下看見(jiàn)的樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源：特納）

 

此后，特納又陸續(xù)在一些其他薄片里看到了這樣的結(jié)構(gòu)。對(duì)于博士階段的特納，要解釋這些奇怪的結(jié)構(gòu)實(shí)在是有些困難。當(dāng)她將這些圖像發(fā)給其他研究者時(shí)，也沒(méi)有人能確定它們是如何形成的，又是否與生命存在特定的關(guān)聯(lián)。于是，特納將這些化石和心中的疑問(wèn)一同暫時(shí)收藏了起來(lái)，等待讓謎底揭曉的線(xiàn)索出現(xiàn)。

 

最終，來(lái)自現(xiàn)代海綿的高清顯微鏡圖像給了特納啟發(fā)。作為地球上結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的多細(xì)胞動(dòng)物，海綿沒(méi)有肌肉、沒(méi)有神經(jīng)系統(tǒng)，為了生存，它們演化出了很多令人詫異的生理特征——例如，一種由蛋白質(zhì)組成的柔軟骨骼。

 

海綿的細(xì)胞會(huì)分泌一種特殊的蛋白質(zhì)——海綿硬蛋白（spongin）。這類(lèi)蛋白質(zhì)能幫助海綿擁有纖維狀的柔軟骨架，正是這些骨架賦予海綿軀體柔韌性。當(dāng)這些硬蛋白出現(xiàn)在顯微鏡下時(shí)，特納注意到，它們與8.9億年前化石中的樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)非常相似。隨著最近幾年，一些更為年輕的化石中同樣出現(xiàn)了高度相似的結(jié)構(gòu)，并且被解釋為海綿的硬蛋白遺跡，特納開(kāi)始相信，她在上世紀(jì)找到了那些化石，就是海綿的硬蛋白。

 

現(xiàn)代海綿硬蛋白組成的纖維（圖片來(lái)源：特納）

 

伴隨著更細(xì)致的觀察、建模以及分析，特納在一篇?jiǎng)倓偘l(fā)表于《自然》雜志的論文中呈現(xiàn)了來(lái)自8.9億年前的生命故事。值得一提的是，與當(dāng)今絕大多數(shù)依靠團(tuán)隊(duì)合作完成的論文不同的是，這篇最新的論文只有特納一位作者。

 

在特納的故事中，在曾經(jīng)的海綿在淺海中度過(guò)一生、倒向海床，被泥沙埋藏之后，一些關(guān)鍵的轉(zhuǎn)變出現(xiàn)了。當(dāng)海綿的軀體早已消失，它們的硬蛋白在埋藏過(guò)程中逐漸被鈣質(zhì)礦物（例如方解石）替代，最終呈現(xiàn)出中空的管狀結(jié)構(gòu)——而這也正是特納在化石里看到的形態(tài)。

 

 

大幅提前

 

如果特納的推論最終得到證實(shí)，人類(lèi)對(duì)于動(dòng)物起源的認(rèn)知將被徹底改寫(xiě)。

 

關(guān)于動(dòng)物的起源，我們最熟悉的莫過(guò)于寒武紀(jì)生命大爆發(fā)。來(lái)自全球各地的化石忠實(shí)地記錄下了這段時(shí)間海洋里的巨變。從5.41億年前開(kāi)始，海洋中的動(dòng)物似乎從無(wú)到有，突然大量涌現(xiàn)。在短短的2000萬(wàn)年內(nèi)，主要的動(dòng)物類(lèi)群紛紛出現(xiàn)。因?yàn)檫@些化石記錄，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，寒武紀(jì)都被視作動(dòng)物的起點(diǎn)。

 

不過(guò)最近半個(gè)世紀(jì)，不斷涌現(xiàn)的化石證據(jù)表明，動(dòng)物爆發(fā)的時(shí)間可能需要有所提前。在早于寒武紀(jì)的埃迪卡拉紀(jì)（約6.35億~5.42億年前），多個(gè)生物群中都出現(xiàn)了動(dòng)物的身影。這些廣泛分布在全球的化石記錄說(shuō)明，動(dòng)物的爆發(fā)時(shí)間比之前認(rèn)為的更早?？梢哉f(shuō)，這些生物群的出現(xiàn)為我們追溯復(fù)雜動(dòng)物的起源提供了全新的窗口。

 

目前，最古老動(dòng)物的確鑿證據(jù)來(lái)自5.71億年前的軟軀體動(dòng)物化石，這是一種形似巨大樹(shù)葉的原始動(dòng)物。不過(guò)，在直接的動(dòng)物化石之外，一些間接證據(jù)將動(dòng)物的誕生推向更早的年代。2018年，一項(xiàng)發(fā)表于《自然·生態(tài)學(xué)與演化》的研究就在來(lái)自阿曼、西伯利亞和印度的巖石中，找到了一種名為26-甲基豆甾烷的類(lèi)固醇化合物。它的特別之處在于，在自然界中，已知只有海綿才能合成這種化合物。因此，這些可以追溯到6.6億~6.35億年前的生物標(biāo)記物可能表明，早在那時(shí)就已經(jīng)有動(dòng)物在海底生活。

 

相比之下，特納在最新研究中提出的動(dòng)物誕生時(shí)間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于目前的任何直接或間接化石證據(jù)。

 

論文中的化石可能代表了與今天的樹(shù)角海綿相似的遠(yuǎn)古海綿（圖片來(lái)源：wikipedia）

 

 

巨大爭(zhēng)議

 

如果特納的結(jié)論最終得到證實(shí)，古生物學(xué)家們將面臨另一個(gè)更加嚴(yán)峻的難題：這些最早的動(dòng)物，是如何在氧氣含量極低的地球中生存下來(lái)的，它們又是如何在隨后度過(guò)被冰雪覆蓋的雪球地球的？

 

當(dāng)我們回顧地球的演化歷史，會(huì)發(fā)現(xiàn)地球的絕大多數(shù)階段都是不適合動(dòng)物生存的。其中一個(gè)關(guān)鍵因素是，大氣層中豐富的氧氣，是直到“近期”才形成的。從最早的光合作用細(xì)菌出現(xiàn)開(kāi)始，地球的氧化過(guò)程經(jīng)歷了數(shù)個(gè)階段，但直到8億年前，氧氣才開(kāi)始在大氣層中積累。在此之前，地球大氣中幾乎沒(méi)有氧氣，海洋也處于嚴(yán)重缺氧的環(huán)境中——按理說(shuō)，動(dòng)物無(wú)法在這樣的條件下生存。

 

對(duì)于這一點(diǎn)，一些能在缺氧條件下生存的現(xiàn)代海綿或許可以說(shuō)明，8.9億年前的環(huán)境可能是某些海綿能夠忍受的。但即便如此，這些早期動(dòng)物在隨后還要面臨另一項(xiàng)挑戰(zhàn)。大約7億年前，地球遭遇了地球生命史上最嚴(yán)峻的氣候危機(jī)。這一次不是變暖，而是覆蓋全球的雪球地球。在近1億年的時(shí)間內(nèi)，整個(gè)地球可能被上千米厚的冰層覆蓋，在這樣的情況下，海水中的動(dòng)物又是如何克服如此極端的生存條件的？

 

對(duì)于古生物學(xué)家而言，這一系列問(wèn)題值得他們?nèi)ミM(jìn)一步思索——當(dāng)然，這一切的前提是，特納的結(jié)論是正確的。特納找到的化石，真的是史前動(dòng)物的杰作嗎？至少目前看來(lái)，這項(xiàng)研究一經(jīng)發(fā)布，就引起了很大的爭(zhēng)議，并且這樣的爭(zhēng)議或許會(huì)長(zhǎng)期延續(xù)下去。

 

目前爭(zhēng)議的焦點(diǎn)在于，這些形態(tài)化石究竟代表了什么？是海綿，還是其他更簡(jiǎn)單的生命？或者說(shuō)，這一定是生物締造的結(jié)構(gòu)嗎？

 

盡管在這項(xiàng)研究中，特納聲稱(chēng)當(dāng)時(shí)的微生物均無(wú)法產(chǎn)生類(lèi)似的復(fù)雜形態(tài)，但在不少古生物學(xué)家看來(lái)，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以與“動(dòng)物”畫(huà)上等號(hào)，因?yàn)橐恍┢渌螒B(tài)的生物（微生物）也能產(chǎn)生這樣的樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)。甚至有人認(rèn)為，即使不需要生物作用，礦物自身也能長(zhǎng)出類(lèi)似的形態(tài)。

 

顯然，無(wú)論目前的觀點(diǎn)如何，眾多研究者都認(rèn)為，形態(tài)學(xué)證據(jù)本身還太過(guò)單薄。遺憾的是，由于保存條件不利，這些樣本里沒(méi)能保留生物標(biāo)記物的證據(jù)。或許，在下一個(gè)8.9億年前或者更早的動(dòng)物化石證據(jù)出現(xiàn)之前，關(guān)于特納以及這些“最早動(dòng)物”的爭(zhēng)論仍將延續(xù)下去……

 

原始論文：

Possible poriferan body fossils in early Neoproterozoic microbial reefs

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03773-z