新華社西安4月14日電 題：探尋5億年前“生命大爆發(fā)”之奧秘——中國科學家發(fā)現(xiàn)寒武紀“化石寶庫”清江生物群紀實
新華社記者許祖華
遙遠的5億多年前，地球上存在過哪些生物？曾令達爾文感到困惑的“寒武紀生命大爆發(fā)”到底蘊藏著哪些奧秘？生活在當下的我們該如何看待那個遙遠又遙遠的地質時代？
近日，中國科學家在全球知名的美國《科學》雜志上發(fā)表的論文《華南早寒武世布爾吉斯頁巖型化石庫——清江生物群》，再次引發(fā)了圈內圈外對研究地球早期生命演化和動物門類起源話題的廣泛關注。
中國西北大學早期生命與環(huán)境創(chuàng)新研究團隊張興亮、傅東靜等首次公布了他們在湖北宜昌長陽地區(qū)發(fā)現(xiàn)的距今5.18億年的寒武紀特異埋藏軟軀體化石庫——“清江生物群”。
《科學》雜志在給媒體的簡介中說“揭示寒武紀之秘的新寶藏出土了?！?/p>
英國《自然》雜志在報道中稱：“清江生物群打開了觀察壯觀寒武紀的又一個窗口，各種新的生物類群前所未見?！?/p>
2014年，西北大學地質學系的師生在湖北省宜昌市丹水河進行“清江生物群”化石挖掘。新華社發(fā)（西北大學供圖）
“清江生物群是令人震驚的科學發(fā)現(xiàn)！”瑞士洛桑大學古生物學家艾莉森·戴利在《科學》同期刊發(fā)的評論文章中說。
這個引發(fā)國際科學界不吝贊美之辭評價的突破性發(fā)現(xiàn)，到底打開了怎樣的“新寶藏”？中國科學家又是如何打開并探究這個寶藏的？
2018年，西北大學地質學系的師生在湖北省宜昌市丹水河進行“清江生物群”化石挖掘。新華社發(fā)（西北大學供圖）
5.18億年與12年：寒武紀“化石寶庫”漸露真容
2007年的暑假，西北大學地質學系教授張興亮帶著傅東靜等幾名研究生在湖北宜昌長陽地區(qū)進行野外踏勘。
這里，群山環(huán)抱，清江在山里靜靜流淌著。一天傍晚，當他們沿著河邊行走時，一塊石頭引起了張興亮的注意。于是他們便拿出地質錘開始敲了起來，沒想到竟然在石頭中發(fā)現(xiàn)了拇指長的半只蟲化石。這個“蝦”狀節(jié)肢動物正是布爾吉斯頁巖型化石庫很有代表性的林喬利蟲。緊接著，他們又在這個位置找到了寒武紀早期的無脊椎動物納羅蟲化石。
盡管是一個重大發(fā)現(xiàn)，但從事早期生命研究的科學家似乎都特別冷靜，發(fā)現(xiàn)有數(shù)億年久遠歷史的化石似乎并沒讓他們一味歡呼雀躍。在與蘊藏著5億多年前生命信息的林喬利蟲化石“邂逅”之后，他們在這片區(qū)域的研究延續(xù)了12年。
西北大學地質學系的學生用顯微鏡對“清江生物群”中的化石進行觀察研究（4月8日攝）。新華社記者 劉瀟攝
發(fā)現(xiàn)清江生物群的宜昌長陽地處鄂西南山區(qū)，寒武紀地層分布廣泛。2007年后，西北大學早期生命與環(huán)境創(chuàng)新研究團隊的研究人員經過記不清多少次野外發(fā)掘和大量的研究工作，逐漸揭開了這個寒武紀“化石寶庫”的神秘面紗。
“剛開始每年去清江兩三次，只要聽說水位下降，河床露出來了，我們就去開采化石，不論刮風下雨，即使下雪也不例外?！闭撐牡谝蛔髡吒禆|靜副教授回憶道。
采集化石的過程異常艱辛。工人要用撬杠撬出來1立方米大小的石塊，科研人員用地質錘順著頁巖的層面劈，一邊劈一邊看，直到找到化石，然后是整理、編號、打包……再把挖掘的化石背出山，帶回實驗室。
在實驗室里，每一塊標本都要在顯微鏡下進行前期修復，使用掃描電鏡揭示化石的超微結構以及元素組成，再對化石進行高精度三維立體掃描……
就這樣，他們在湖北大山的“石?！敝兴褜ぃ页隽藘扇f多枚化石標本。
西北大學地質學系的學生在查找“清江生物群”化石（4月8日攝）。新華社記者 劉瀟攝
科研上的突破是在2014年取得的重要進展。那時，團隊已經采獲了上萬塊化石。經過無數(shù)次分析、比較、研究，團隊終于做出了這樣的判斷：這是一個能夠揭示寒武紀大爆發(fā)時期動物門類多樣性及其演化進程的重要化石寶庫。
談到對“清江生物群”的命名，傅東靜說，一方面是因為化石埋藏地是在清江與丹水河的交匯處。“更重要的一個原因，是希望清江生物群與云南澄江生物群日后能夠成為享譽世界的‘中國兩江生物群’?！?/p>
90%對1%：科學家對“寒武紀生命大爆發(fā)”的探索
“寒武紀生命大爆發(fā)”被稱為古生物學和地質學上的一大“懸案”。
在距今5.4億年的早寒武世，地球生命演化史上出現(xiàn)了一次規(guī)模最大、影響最深遠的生物創(chuàng)新事件。在不到地球生命發(fā)展史1%的時間里迅速創(chuàng)生出了90%以上的動物門類。寒武紀地層突然出現(xiàn)了門類眾多的無脊椎動物和最古老的脊椎動物——“天下第一魚”昆明魚目化石。但是，在更為古老的地層中，長期以來沒有找到其明顯的祖先化石，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)。
該如何解釋在如此短的時間內突然涌現(xiàn)出如此之多的動物門類？一直困擾著學術界。于是，寒武紀大爆發(fā)與生命起源、智能起源等一起被列為“六大自然科學難題”。
“要破解寒武紀大爆發(fā)的奧秘，需要找到可靠的化石實證。而布爾吉斯頁巖型化石庫則是探索寒武紀大爆發(fā)的最佳窗口?！备禆|靜說。
西北大學地質學系的學生在對“清江生物群”中的化石進行觀察研究（4月8日攝）。新華社記者 劉瀟攝
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，并因此命名。百余年來，這類化石庫在全球各地已發(fā)現(xiàn)50余個，其中加拿大布爾吉斯頁巖生物群和1984年發(fā)現(xiàn)的我國云南澄江生物群最為著名，成為“理想的頂級研究目的地”。
“清江生物群正是頂級的布爾吉斯頁巖型化石庫。后續(xù)挖掘、研究與保護將有可能為探索寒武紀大爆發(fā)這一重大科學難題提供多方面科學依據(jù)?！备禆|靜說。
據(jù)介紹，對清江生物群已經采集到的大量珍貴化石標本中的4351件進行初步研究后，已分類鑒定出109個屬，其中53%為此前從未有過記錄的全新屬種。而且，清江生物群中軟軀體生物居多，已發(fā)現(xiàn)的后生動物屬中，85％不具有礦化骨骼，絕大多數(shù)為水母、?？葲]有骨骼的“基礎動物”。
更令科學家驚喜的是，清江生物群的化石形態(tài)保真度很高，各類群動物保存栩栩如生，動物的眼睛、神經、內臟等軟體組織和器官的形態(tài)結構清晰可見。
生物統(tǒng)計學的“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已知所有寒武紀軟軀體化石庫。
“清江生物群”中發(fā)現(xiàn)的新物種化石。新華社發(fā)（西北大學供圖）
“清江生物群的特色和優(yōu)勢主要體現(xiàn)在新屬種比例最高、后生動物相對多樣性最大、軟軀體生物類群最多、化石形態(tài)保真度最優(yōu)、原生有機質的埋藏保存最好，具有難以估量的研究潛力?！备禆|靜說。
國外的專家也非常認同中國科學家的研究成果?！埃ㄇ褰锶海┗S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?！卑蛏ご骼f。
已知和未知：“三幕式寒武紀大爆發(fā)假說”和更多的奧秘
近年來，西北大學早期生命與環(huán)境創(chuàng)新研究團隊在中國科學院院士舒德干的帶領下，對澄江生物群及寒武紀大爆發(fā)進行了長期探索，取得了系統(tǒng)的創(chuàng)新成果。
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，提出了“三幕式寒武紀大爆發(fā)假說”，勾勒出了寒武紀生命大爆發(fā)分三階段依次創(chuàng)生了基礎動物、原口動物、后口動物三大枝系的“動物大樹”的基本輪廓，進而首次構建了完整的早期動物譜系樹框架圖。
“隨著日后研究工作的展開和深入，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)?！笔娴赂稍菏空f。
“清江生物群”中發(fā)現(xiàn)的分枝藻類化石。新華社發(fā)（西北大學供圖）
清江生物群距離澄江生物群化石產地1050公里?！吧锏貙訉W研究顯示，清江生物群和澄江生物群是同時代的、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)的鼎盛時期。兩者的科學研究價值具有很強的互補性。”論文通訊作者張興亮教授說。
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?！斑@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)和探索新的軀體構型和新的動物門類提供第一手材料?！睆埮d亮說。
更令中國科學家感到“幸運”的是：目前全球兩個保真度最高的布爾吉斯頁巖型化石庫——布爾吉斯和澄江，在埋藏之后分別經歷了高溫變質、風化作用等嚴重的地質改造，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薄膜形式保存了原始的有機質。
因此，不僅在古生物學研究領域，清江生物群的發(fā)現(xiàn)，對于進化生物學、系統(tǒng)發(fā)生學以及埋藏學、古生態(tài)學、地球化學等交叉學科前沿研究方向，也具有非常特殊的價值。
“清江生物群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。困擾學術界多年的動物軟體結構特殊埋藏機制問題，或將在清江生物群得到破解?！睆埮d亮說。
可以期待，隨著交叉學科研究的推進，中國的清江生物群會帶給我們更多：生發(fā)更多的問題，破解更多的奧秘……
西北大學地質學系的學生在查找“清江生物群”化石（4月8日攝）。新華社記者 劉瀟攝
西北大學地質學系的學生用顯微鏡對“清江生物群”中的化石進行觀察研究（4月8日攝）。新華社記者 劉瀟攝
西北大學地質學系的學生用顯微鏡對“清江生物群”中的化石進行觀察研究（4月8日攝）。新華社記者 劉瀟攝
“清江生物群”中發(fā)現(xiàn)的新物種化石。新華社發(fā)（西北大學供圖）
“清江生物群”中發(fā)現(xiàn)的新物種化石。新華社發(fā)（西北大學供圖）
“清江生物群”中發(fā)現(xiàn)的葉足動物化石。新華社發(fā)（西北大學供圖）
“清江生物群”中發(fā)現(xiàn)的林喬利蟲化石。新華社發(fā)（西北大學供圖）
“清江生物群”中發(fā)現(xiàn)的水母化石。新華社發(fā)（西北大學供圖）
寒武紀水下古生物復原圖。新華社發(fā)（西北大學供圖）
