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文化 考古發現
宜昌發現寒武紀化石寶庫
華夏經緯網   2019-04-19 09:20:20   
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    80后女科學家《科學》雜志發文:

  宜昌發現寒武紀化石寶庫

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  清江生物群化石標本

  近日,《科學》(Science)雜志發表了西北大學早期生命與環境創新研究團隊張興亮、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》,首次在國際上公布了該團隊在中國宜昌長陽地區清江與丹江河的交匯處,發現了距今5.18億年的寒武紀特異埋藏軟軀體化石庫,并命名為“清江生物群”。這是進化古生物學界又一突破性發現。

  《科學》雜志同期刊發了題為“寒武紀化石寶庫”的專家評論,國際著名古生物學家Allison C. Daley評價:“清江生物群是令人震驚的科學發現!其化石豐富度、多樣性和保真度世界一流,科學價值巨大。后續研究將有望填補我們對于寒武紀大爆發的認知空白,并解決動物門類起源演化方面一系列科學問題。”

  進化古生物學的突破性發現

  寒武紀大爆發與生命起源、智能起源等共同被列為“六大自然科學難題”。而要破解寒武紀大爆發的奧秘,除了基于理論的科學猜想,更需要發現恰當的科學觀察窗口——化石庫,以找到可靠的化石實證。

  對古生物學者而言,最完美的、可解密寒武紀大爆發與動物門類起源的研究對象,莫過于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,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生物群原本的、完整的組合面貌,為探尋寒武紀大爆發的演化模式和強度,以及構建動物生命樹的基本結構提供絕佳的化石記錄。

  布爾吉斯頁巖型化石庫最早在1909年發現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。該化石庫長期在古生物學和進化生物學研究中“獨領風騷”。百余年來,此類化石庫在全球各地已發現50余個,但按照化石保存質量的優劣及化石物種多樣性的高低等標準來看,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年發現于我國云南省的澄江生物群成為“理想的頂級研究目的地”。云南澄江生物群發現35年來,已在數十萬件化石標本中發現了超過280個物種,研究成果28次登上《自然》《科學》《美國國家科學院院刊》三大科學期刊,成為我國唯一化石地世界自然遺產。

  此次發現的清江生物群,在4351件化石標本中,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。生物統計學分析顯示,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的全球已知所有寒武紀軟軀體化石庫。

  傅東靜介紹,“清江生物群的特色和優勢,體現在新屬種比例最高、后生動物相對多樣性最大、軟軀體生物類群最多、化石形態保真度最優、原生有機質的埋藏保存最好等五個方面,具有難以估量的研究潛力。”

  動物軟體結構特殊埋藏機制問題或將得到破解

  現今地球上的動物界共有38個門,在寒武紀生命大爆發時期的化石中,已發現20個現生的動物門類和6個已滅絕的動物門類,但仍有18個現生動物門類尚未在寒武紀找到化石代表。在過去的35年間,古生物學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產地1050公里,張興亮介紹,“生物地層學研究顯示,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時期動物門類爆發式出現的極盛時期,兩者的科學研究價值具有很強的互補性。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境,代表了不同生態環境下的全新生物群落,這一點從其超過半數以上的新屬種可以證實。因此,清江生物群后續的大規模發掘,將為發現和探索新的軀體構型和新的動物門類提供第一手材料。”

  在新的化石產地,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,尤其是具有創新身體結構的重要生物類群的發現,將為研究早期生命演化的關鍵環節和過程提供新的證據。

  以中科院院士舒德干領軍的西北大學地質學系早期生命與環境創新研究團隊在達爾文提出的地球生命呈“樹形演化”猜想基礎上,通過數十年的研究與實證,勾勒出了寒武紀生命大爆發時基礎動物、原口動物、后口動物三大枝系演化“大樹”的基本輪廓,進而在全球首次構建了完整的早期動物譜系樹框架圖。

  “通過我們已開展的研究發現,清江生物群中雙胚層輻射對稱的動物占主導,刺胞動物身體構型分異度高,蛻皮動物類群中極其罕見的動吻動物繁盛。此外,我們還發現了許多形態奇異的嶄新物種。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。”傅東靜說。

  不僅在古生物學研究領域具有突出的價值,清江生物群的發現,對于進化生物學、系統發生學以及埋藏學、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。

  動物的系統發育、營養動力以及關鍵進化特征的出現等問題研究,依賴于發現更多的軟體結構和更優質的形態保存,如內臟、鰓條、脊索、神經組織、心血管系統等等,然而眾所周知,這些都屬于埋藏上高度不穩定的組織器官。到底是怎樣特殊的埋藏機制,才使得布爾吉斯頁巖型化石庫能夠保存軟體結構?這一疑問至今在學術界爭論不休。

  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。而在清江生物群發現的軟軀體化石,奇跡般地以原生碳質薄膜形式保存了原始的有機質,毫無疑問,這里將為開展埋藏學和地球化學研究,進而開展深入的古環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,或將在清江化石庫得到破解。

  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”的發現,認為是“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的野外踏勘隊在宜昌長陽地區考察,當時的目標層位是石牌生物群,比澄江生物群的出現時間稍晚,年齡更輕。他們每天背著干糧和地質錘在完全沒有路的山里兜兜轉轉,連續找了十幾天,除了一些殼體化石和海綿之外,并沒有什么大的收獲。一天已近傍晚,準備收工時,踏勘隊沿著河邊走,張興亮低頭一看,說:“這石頭多好啊,敲一敲再回吧!”大家紛紛取出地質錘叮叮哐哐地敲。很快,張興亮就找到了拇指長的半只蟲化石——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”狀節肢動物。緊接著,同學們還在這個位置找到了納羅蟲。

  實際上,在發現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走遍了全世界。但即便是找到了林喬利蟲和納羅蟲,團隊在華南華北還有很多有潛力的化石產地需要去研究,因此最開始團隊還是堅持全年巡回踏勘,每年大約去清江兩三次,都是等當地老鄉告訴他們水位下去、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,團隊的研究重心也徹底轉移過來。

  12年的時間里,張興亮、傅東靜和團隊里一屆又一屆的碩博士生在5億年前的“大海”里找出了20000多只“蟲子”。工人們用撬杠撬出來1立方米大小的石頭后,團隊成員們就用地質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。進實驗室后再對每一塊進行清理、討論、鑒定、分類和記錄。

  談及研究論文的準備,她說,“因為這次發現的化石中,超過半數的物種都是新的,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,每一個關于他們的故事我們都爛熟于心。”

  傅東靜所在的西北大學早期生命與環境創新研究團隊,是一個成果豐碩、結構合理的學術梯隊。團隊目前成員16人,其中中科院院士一人,“杰出青年”2人,“優秀青年”一人,長江學者特聘教授3人,青年長江學者一人,以中青年學術骨干為主,全部具有博士學位以及在海外留學和國際合作研究、主持國家級基礎研究課題的經歷。

  關于對“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后能夠成為享譽世界的“中國兩江生物群”。

  目前,該團隊在已有研究基礎上,將對清江生物群開展包括古生物學、地層學、古生態學、沉積學、化石埋藏學、地球化學在內的多學科綜合研究,逐步解決動物門類起源與寒武紀大爆發的深層次科學問題。

  文/李琛

  供圖/西北大學

來源:北京青年報


 

責任編輯:張祝華

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