80後女科學(xué)家《科學(xué)》雜誌發(fā)文：

　　宜昌發(fā)現(xiàn)寒武紀(jì)化石寶庫

　　近日，《科學(xué)》(Science)雜誌發(fā)表了西北大學(xué)早期生命與環(huán)境創(chuàng)新研究團(tuán)隊張興亮、傅東靜等人的最新研究成果《華南早寒武世布爾吉斯頁巖型化石庫——清江生物群》，首次在國際上公佈了該團(tuán)隊在中國宜昌長陽地區(qū)清江與丹江河的交匯處，發(fā)現(xiàn)了距今5.18億年的寒武紀(jì)特異埋藏軟軀體化石庫，並命名為“清江生物群”。這是進(jìn)化古生物學(xué)界又一突破性發(fā)現(xiàn)。

　　《科學(xué)》雜誌同期刊發(fā)了題為“寒武紀(jì)化石寶庫”的專家評論，國際著名古生物學(xué)家Allison C. Daley評價：“清江生物群是令人震驚的科學(xué)發(fā)現(xiàn)！其化石豐富度、多樣性和保真度世界一流，科學(xué)價值巨大。後續(xù)研究將有望填補(bǔ)我們對於寒武紀(jì)大爆發(fā)的認(rèn)知空白，並解決動物門類起源演化方面一系列科學(xué)問題。”

　　進(jìn)化古生物學(xué)的突破性發(fā)現(xiàn)

　　寒武紀(jì)大爆發(fā)與生命起源、智慧起源等共同被列為“六大自然科學(xué)難題”。而要破解寒武紀(jì)大爆發(fā)的奧秘，除了基於理論的科學(xué)猜想，更需要發(fā)現(xiàn)恰當(dāng)?shù)目茖W(xué)觀察窗口——化石庫，以找到可靠的化石實證。

　　對古生物學(xué)者而言，最完美的、可解密寒武紀(jì)大爆發(fā)與動物門類起源的研究對象，莫過於布爾吉斯頁巖型化石庫。相較于常見的類似保存著脊椎動物骨骼的硬體化石庫，布爾吉斯頁巖型化石庫不僅可以保存動物骨骼以外的組織、器官等軟體形態(tài)，更可以保存諸如水母、海葵等軟軀體生物。該類型的化石庫能夠最大程度地還原寒武紀(jì)生物群原本的、完整的組合面貌，為探尋寒武紀(jì)大爆發(fā)的演化模式和強(qiáng)度，以及構(gòu)建動物生命樹的基本結(jié)構(gòu)提供絕佳的化石記錄。

　　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(jì)中期的布爾吉斯頁巖中，並因此命名。該化石庫長期在古生物學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)研究中“獨領(lǐng)風(fēng)騷”。百餘年來，此類化石庫在全球各地已發(fā)現(xiàn)50余個，但按照化石保存品質(zhì)的優(yōu)劣及化石物種多樣性的高低等標(biāo)準(zhǔn)來看，僅有加拿大布爾吉斯頁巖生物群(此處生物群可等同理解為化石庫)和1984年發(fā)現(xiàn)于我國雲(yún)南省的澄江生物群成為“理想的頂級研究目的地”。雲(yún)南澄江生物群發(fā)現(xiàn)35年來，已在數(shù)十萬件化石標(biāo)本中發(fā)現(xiàn)了超過280個物種，研究成果28次登上《自然》《科學(xué)》《美國國家科學(xué)院院刊》三大科學(xué)期刊，成為我國唯一化石地世界自然遺産。

　　此次發(fā)現(xiàn)的清江生物群，在4351件化石標(biāo)本中，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。生物統(tǒng)計學(xué)分析顯示，清江生物群的物種多樣性將有望超過包含布爾吉斯和澄江在內(nèi)的全球已知所有寒武紀(jì)軟軀體化石庫。

　　傅東靜介紹，“清江生物群的特色和優(yōu)勢，體現(xiàn)在新屬種比例最高、後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(jī)質(zhì)的埋藏保存最好等五個方面，具有難以估量的研究潛力。”

　　動物軟體結(jié)構(gòu)特殊埋藏機(jī)制問題或?qū)⒌玫狡平?/p>

　　現(xiàn)今地球上的動物界共有38個門，在寒武紀(jì)生命大爆發(fā)時期的化石中，已發(fā)現(xiàn)20個現(xiàn)生的動物門類和6個已滅絕的動物門類，但仍有18個現(xiàn)生動物門類尚未在寒武紀(jì)找到化石代表。在過去的35年間，古生物學(xué)家曾在澄江生物群的研究中找到了許多動物門類的最早化石記錄。

　　清江生物群距離澄江生物群化石産地1050公里，張興亮介紹，“生物地層學(xué)研究顯示，清江生物群和澄江生物群是同時代的、位於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(jì)生命大爆發(fā)時期動物門類爆髮式出現(xiàn)的極盛時期，兩者的科學(xué)研究價值具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。與澄江生物群相比，清江生物群生活于遠(yuǎn)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，這一點從其超過半數(shù)以上的新屬種可以證實。因此，清江生物群後續(xù)的大規(guī)模發(fā)掘，將為發(fā)現(xiàn)和探索新的軀體構(gòu)型和新的動物門類提供第一手材料。”

　　在新的化石産地，除了能夠找到更多新的動物門類，不斷豐富物種多樣性外，全新的生物組合面貌的揭示，尤其是具有創(chuàng)新身體結(jié)構(gòu)的重要生物類群的發(fā)現(xiàn)，將為研究早期生命演化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和過程提供新的證據(jù)。

　　以中科院院士舒德幹領(lǐng)軍的西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系早期生命與環(huán)境創(chuàng)新研究團(tuán)隊在達(dá)爾文提出的地球生命呈“樹形演化”猜想基礎(chǔ)上，通過數(shù)十年的研究與實證，勾勒出了寒武紀(jì)生命大爆發(fā)時基礎(chǔ)動物、原口動物、後口動物三大枝係演化“大樹”的基本輪廓，進(jìn)而在全球首次構(gòu)建了完整的早期動物譜係樹框架圖。

　　“通過我們已開展的研究發(fā)現(xiàn)，清江生物群中雙胚層輻射對稱的動物佔主導(dǎo)，刺胞動物身體構(gòu)型分異度高，蛻皮動物類群中極其罕見的動吻動物繁盛。此外，我們還發(fā)現(xiàn)了許多形態(tài)奇異的嶄新物種。隨著研究的展開，清江生物群將為‘早期動物譜係樹’到底在哪分叉，在哪開枝散葉，找到更多生物進(jìn)化的直接證據(jù)。”傅東靜説。

　　不僅在古生物學(xué)研究領(lǐng)域具有突出的價值，清江生物群的發(fā)現(xiàn)，對於進(jìn)化生物學(xué)、系統(tǒng)發(fā)生學(xué)以及埋藏學(xué)、地球化學(xué)等交叉學(xué)科前沿研究方向，也具有非常特殊的價值。

　　動物的系統(tǒng)發(fā)育、營養(yǎng)動力以及關(guān)鍵進(jìn)化特徵的出現(xiàn)等問題研究，依賴於發(fā)現(xiàn)更多的軟體結(jié)構(gòu)和更優(yōu)質(zhì)的形態(tài)保存，如內(nèi)臟、鰓條、脊索、神經(jīng)組織、心血管系統(tǒng)等等，然而眾所週知，這些都屬於埋藏上高度不穩(wěn)定的組織器官。到底是怎樣特殊的埋藏機(jī)制，才使得布爾吉斯頁巖型化石庫能夠保存軟體結(jié)構(gòu)？這一疑問至今在學(xué)術(shù)界爭論不休。

　　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，在埋藏之後分別經(jīng)歷了高溫變質(zhì)、風(fēng)化作用等嚴(yán)重的地質(zhì)改造，其樣本已無法用於深入開展埋藏學(xué)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(zhì)薄膜形式保存了原始的有機(jī)質(zhì)，毫無疑問，這裡將為開展埋藏學(xué)和地球化學(xué)研究，進(jìn)而開展深入的古環(huán)境研究提供理想素材。困擾學(xué)術(shù)界多年的動物軟體結(jié)構(gòu)特殊埋藏機(jī)制問題，或?qū)⒃谇褰瘞斓玫狡平狻?/p>

　　12年時間找出20000多只“蟲子”

　　傅東靜談及這個擁有無限可能的“化石寶庫”的發(fā)現(xiàn)，認(rèn)為是“偶然中的必然”。

　　2007年暑假， 25歲的博士新生傅東靜跟隨張興亮教授帶領(lǐng)的野外踏勘隊在宜昌長陽地區(qū)考察，當(dāng)時的目標(biāo)層位是石牌生物群，比澄江生物群的出現(xiàn)時間稍晚，年齡更輕。他們每天背著乾糧和地質(zhì)錘在完全沒有路的山裏兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，連續(xù)找了十幾天，除了一些殼體化石和海綿之外，並沒有什麼大的收穫。一天已近傍晚，準(zhǔn)備收工時，踏勘隊沿著河邊走，張興亮低頭一看，説：“這石頭多好啊，敲一敲再回吧！”大家紛紛取出地質(zhì)錘叮叮哐哐地敲。很快，張興亮就找到了拇指長的半隻蟲化石——林喬利蟲。林喬利蟲是布爾吉斯頁巖化石庫很有代表性的一種“蝦”狀節(jié)肢動物。緊接著，同學(xué)們還在這個位置找到了納羅蟲。

　　實際上，在發(fā)現(xiàn)這只林喬利蟲之前的十幾年間，張興亮尋找這種化石群的腳步已經(jīng)走遍了全世界。但即便是找到了林喬利蟲和納羅蟲，團(tuán)隊在華南華北還有很多有潛力的化石産地需要去研究，因此最開始團(tuán)隊還是堅持全年巡迴踏勘，每年大約去清江兩三次，都是等當(dāng)?shù)乩相l(xiāng)告訴他們水位下去、河床露出來的時候。直到2014年，這個化石庫的巨大潛力才被逐步確認(rèn)，團(tuán)隊的研究重心也徹底轉(zhuǎn)移過來。

　　12年的時間裏，張興亮、傅東靜和團(tuán)隊裏一屆又一屆的碩博士生在5億年前的“大海”裏找出了20000多只“蟲子”。工人們用撬杠撬出來1立方米大小的石頭後，團(tuán)隊成員們就用地質(zhì)錘順著頁巖的層面劈，一邊劈一邊看，找到蟲子就整理、編號、打包，再背出山、帶回實驗室。進(jìn)實驗室後再對每一塊進(jìn)行清理、討論、鑒定、分類和記錄。

　　談及研究論文的準(zhǔn)備，她説，“因為這次發(fā)現(xiàn)的化石中，超過半數(shù)的物種都是新的，所以查閱資料的工程量也非常大。每一塊化石都有一個故事，每一個關(guān)於他們的故事我們都爛熟於心。”

　　傅東靜所在的西北大學(xué)早期生命與環(huán)境創(chuàng)新研究團(tuán)隊，是一個成果豐碩、結(jié)構(gòu)合理的學(xué)術(shù)梯隊。團(tuán)隊目前成員16人，其中中科院院士一人，“傑出青年”2人，“優(yōu)秀青年”一人，長江學(xué)者特聘教授3人，青年長江學(xué)者一人，以中青年學(xué)術(shù)骨幹為主，全部具有博士學(xué)位以及在海外留學(xué)和國際合作研究、主持國家級基礎(chǔ)研究課題的經(jīng)歷。

　　關(guān)於對“清江生物群”的命名，傅東靜説，一方面是因為化石埋藏地是在清江與丹江河的交匯處，更重要的一個原因，是希望清江與澄江生物群日後能夠成為享譽(yù)世界的“中國兩江生物群”。

　　目前，該團(tuán)隊在已有研究基礎(chǔ)上，將對清江生物群開展包括古生物學(xué)、地層學(xué)、古生態(tài)學(xué)、沉積學(xué)、化石埋藏學(xué)、地球化學(xué)在內(nèi)的多學(xué)科綜合研究，逐步解決動物門類起源與寒武紀(jì)大爆發(fā)的深層次科學(xué)問題。

　　文/李琛

　　供圖/西北大學(xué)