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还原“清江生物群”发掘的前前后后——破解生物进化谜团的化石宝库

还原“清江生物群”发掘的前前后后——破解生物进化谜团的化石宝库

还原“清江生物群”发掘的前前后后——破解生物进化谜团的化石宝库

(36500365uux.cn报道)据光明日报(张哲浩 马荣瑞):3月22日凌晨(北京时间),国际权威学术期刊《科学》(Science)发表了西北大学早期生命与环境创新研究团队张兴亮、傅东静等人的最新研究成果《华南早寒武世布尔吉斯页岩型化石库——清江生物群》。至此,地处中国宜昌长阳地区,距今5.18亿年的寒武纪特异埋藏软躯体化石库——“清江生物群”,首次向世界摘下它神秘的面纱,成为进化古生物学界又一突破性发现。

从发现化石到刊载成果,时间已经转过了近12年。2007年盛夏的一个傍晚,空气炎热而闷湿,在湖北宜昌长阳地区带队踏勘的西北大学地质学系教授张兴亮用地质锤,从河床上的石头里敲出了半根拇指长的林乔利虫化石——这是在一种布尔吉斯页岩化石库中的表征性节肢动物。那时,野外踏勘队成员、25岁的博士新生傅东静见证了那一幕。

日前,记者采访了论文第一作者、西北大学地质学系副教授傅东静,试图还原“清江生物群”发掘的前前后后。

探寻达尔文之惑

在探寻生物演化的过程中,“寒武纪大爆发”被称为进化生物学的一大悬案:大约5.4亿年以前,在不到地球演化史1%的时间里,迅速产生了90%以上的动物门类,这成为达尔文在1859年创立以渐变论为基调的生物进化论时面临的第一难题。

“要破解寒武纪大爆发的奥秘,除了基于理论的科学猜想,还要发现恰当的科学观察窗口——化石库。”在西北大学早期生命与环境重点实验室里,记者见到了这位80后女生物学家傅东静。

百余年间,科学家在全球各地发现了50余个化石库,但“理想的顶级研究目的地”寥寥:20世纪初至70年代,加拿大寒武纪中期布尔吉斯页岩化石库中软躯体化石生物群的发现和研究,在古生物学和进化生物学中长期独领风骚;80年代以来,我国云南寒武纪早期澄江生物群研究成果超越前者,其动物界的三个亚界的早期框架构成更为完整、化石保存更为精美,成为我国唯一化石地世界自然遗产。

在学界,化石保存质量和化石物种多样性一直是衡量化石库等级的硬门槛。傅东静介绍,此次发现的“清江生物群”,在4351件化石标本中,已分类鉴定出109个属,其中53%为此前从未有过记录的全新属种。生物统计学“稀疏度曲线”分析显示,“清江生物群”的物种多样性将有望超过包含布尔吉斯和澄江在内的全球已知所有寒武纪软躯体化石库。

“更重要的是,‘清江生物群’发现的软躯体化石奇迹般地以原生碳质薄膜形式保存了原始的有机质,这将为开展埋藏学和地球化学研究,进而开展深入的古环境研究提供理想素材。”傅东静补充道。

国际著名古生物学家、瑞士洛桑大学教授Allison C.Daley,在《科学》杂志发表评论文章,称“清江生物群”是令人震惊的科学发现:“其化石丰富度、多样性和保真度世界一流,科学价值巨大。后续研究将有望填补人类对于寒武纪大爆发的认知空白并解决动物门类起源演化等方面的一系列科学问题。”

“这里将成为开展寒武纪生命大爆发研究最理想的顶级化石库。”傅东静说。

用12年寻找化石的故事

很少有人知道,从最初发现的那半只林乔利虫化石,到震惊古生物学界的化石宝库现世,西北大学早期生物研究团队用了足足12年。

“起初虽然我们找到了林乔利虫,但谁也无法判断这个化石库的价值究竟有多大。”傅东静说。

化石库的价值只能由化石标本来证实。在发现化石标本的丹江河里,工人用撬杠撬出来1立方米大小的石头,踏勘队员就用地质锤顺着页岩的层面劈,一边劈一边看,把找到虫子的化石标本整理、编号、打包,最后背出山。

在实验室里,每一块标本要在体式显微镜下进行前期修复;使用扫描电镜揭示化石的超微结构以及元素组成;再用MicroCT进行高精度三维立体扫描……12年间,劈石头、啃干饼的科研生活早已成家常便饭,张兴亮、傅东静和团队里历届硕士博士生最终在5亿年前的化石标本里,找出了20000多只“虫子”。

随着获取的标本数量日益增加,化石库的学术价值逐渐彰显。2014年,学术团队最终决定把研究重心彻底对准“清江生物群”。

“我们采集的每块化石都有故事,每个故事我们都烂熟于心。”傅东静说。

中国的“两江生物群”

如今,地球上的动物界共分为38个门,在寒武纪生命大爆发时期的化石中,已发现20个现生动物门类和6个已灭绝动物门类,但仍有18个现生动物门类尚未在寒武纪找到化石代表。

在过去的35年间,古生物学家曾在澄江生物群的研究中找到了许多动物门类的最早化石记录。傅东静相信,同处于寒武纪动物门类爆发极盛时期的“清江生物群”,随着大规模发掘,将为发现和探索新的躯体构型和新的动物门类提供第一手材料。

“与澄江生物群相比,‘清江生物群’生活于远离海岸的较深水环境,代表了不同生态环境下的全新生物群落,二者的研究有很强的互补性。”傅东静说。关于为何将新发现的化石库命名为“清江生物群”,傅东静这样解释,化石埋藏地是在清江与丹江河的交汇处,“这样命名是为了纪念发现它们的地方,记载中国在科学史上的重要贡献。”

早在此前数十年间,西北大学院士舒德干就将其首次发现的古老生物先后以“华夏鳗”“云南虫”“昆明鱼”等字眼命名。他曾说,中国需要更多的人为科学发现的里程碑来培土。如今,傅东静更加忙碌——除了日常的教学科研,她还要回复解答来自国内外同行的数十份邮件、传真,“基本是关于‘清江生物群’的”,傅东静坚信,未来“清江生物群”能够同澄江生物群一同成为享誉世界的“中国两江生物群”。

“在研究寒武纪大爆发的化石宝库里,有两座高峰永远属于中国。”傅东静说。《光明日报》(2019年04月07日 03版)

相关报道:中国湖北宜昌长阳地区发现5.18亿年前特异埋藏软躯体化石库——清江生物群

(36500365uux.cn报道)据人民日报(田豆豆 杜强):历经12个春秋,我国科学家在古生物学研究领域取得一项重大突破——发现“寒武纪化石宝库”。

前不久,西北大学早期生命与环境创新研究团队张兴亮、傅东静等人,在《科学》杂志首次公布他们的研究成果:在中国湖北宜昌长阳地区发现了距今5.18亿年的寒武纪特异埋藏软躯体化石库——清江生物群。

“清江生物群是令人震惊的科学发现!”国际著名古生物学家Allison C·Daley在《科学》杂志同期刊发的题为“寒武纪化石宝藏”的评论中指出:“其化石丰富度、多样性和保真度世界一流,科学价值巨大。后续研究将有望填补我们对于寒武纪大爆发的认知空白并解决动物门类起源演化方面一系列科学问题。”

寒武纪生命大爆发之谜至今没有破解

在不到地球历史1%的时间诞生了绝大多数动物门类,曾令达尔文感到困惑

大约5.42亿年前到5.3亿年前这段时间,被科学界认为是寒武纪的开始时间。在这1000多万年时间内,寒武纪地层突然出现了门类众多的无脊椎动物化石;而在早期更为古老的地层中,长期以来却一直没有找到明显的祖先化石。这一现象被称作寒武纪生命大爆发,简称寒武纪大爆发。

寒武纪大爆发被称为自然科学研究领域的一大“悬案”,在不到地球历史1%的时间诞生了绝大多数动物门类,曾令达尔文感到困惑。

“要破解寒武纪大爆发的奥秘,除了科学猜想,更需要发现恰当的科学观察窗口——化石库,以找到可靠的化石实证。”张兴亮教授介绍说,1909年以来相继发现的加拿大布尔吉斯生物群、中国云南澄江生物群,就是科学家梦寐以求的珍贵化石库。

布尔吉斯页岩型化石库最早在1909年发现于加拿大落基山脉寒武纪中期的布尔吉斯页岩中,并因此得名。这一化石库长期在古生物学和进化生物学研究中独领风骚。相较于常见的类似保存着脊椎动物骨骼的硬体化石库,布尔吉斯页岩型化石库不仅可以保存动物骨骼以外的组织、器官等软体形态,更可以保存诸如水母、海葵等软躯体生物。这为探寻寒武纪大爆发的演化模式和强度以及构建动物生命树的基本结构,提供了绝佳的化石记录。

自布尔吉斯页岩型化石库发现100多年来,此类化石库在全球各地已发现50余个。但按照化石保存质量的优劣及化石物种多样性等标准来看,仅有加拿大布尔吉斯页岩生物群和1984年发现的澄江生物群,成为“理想的顶级研究目的地”。

其中,澄江生物群发现35年来,已在数十万件化石标本中发现了超过280个物种,相关研究成果28次登上《自然》《科学》和《美国科学院院报》等三大科学期刊,成为我国唯一化石地世界自然遗产。

尽管如此,寒武纪大爆发仍存在很大的认知空白,动物门类起源演化方面还有许多未解之谜。于是,找到下一个“理想的顶级研究目的地”,就成为国际古生物学界的一大梦想。

敲出了半只林乔利虫

一个巨大的寒武纪化石宝藏逐渐显露真容

宜昌市长阳县地处鄂西南山区,位于长江和清江中下游,寒武纪地质层分布广泛。

2007年暑假,湖北的天气异常炎热。张兴亮带领傅东静、刘伟、代韬等研究生到长阳地区进行考察。

“当时的目标层位是石牌生物群,它比澄江生物群的出现时间稍晚,年龄更轻。”傅东静回忆说,“大家像往常一样,取出地质锤叮叮哐哐地敲。很快,张兴亮老师就找到了拇指长的半只虫化石——林乔利虫。”

林乔利虫是布尔吉斯页岩化石库很有代表性的一种“虾”状节肢动物。紧接着,踏勘队还在这个位置找到了纳罗虫。而在1984年侯先光教授发现澄江生物群的时候,第一个发现的化石正是纳罗虫。

随后的12年里,西北大学早期生命与环境创新研究团队长期坚持野外发掘和室内研究,一个巨大的寒武纪化石宝库逐渐显露真容。

“有人说我们运气好,但实际上,在发现这只林乔利虫之前的十几年间,张兴亮老师寻找这种化石群已经走遍了全世界。幸运总是降临在有心的人身上,不是吗?”傅东静说。

研究团队将这一化石宝藏命名为清江生物群,一个原因看是因为化石埋藏地是在清江与丹江河的交汇处。更重要的一个原因,是研究团队希望清江与澄江生物群日后能够成为享誉世界的“中国两江生物群”。

研究的结果越来越令人兴奋

初步研究发现109个属,53%为此前从未有过记录的全新属种

即便是找到了林乔利虫和纳罗虫,在华南、华北还是有很多有潜力的化石产地需要去研究。“最开始我们还是全年巡回踏勘的,每年大约去清江两三次,都是等老乡告诉我们水位下去、河床露出来的时候,我们就赶紧去,下雪也不例外。直到2014年才逐步确认了这个化石库的巨大潜力,研究重心彻底转移过来。” 傅东静说。

不亚于海底捞针,张兴亮、傅东静和团队里一届又一届的硕士、博士,在5亿年前的“大海”里找出了两万多只“虫子”。“工人用撬杠撬出1立方米大小的石头,我们就用地质锤顺着页岩的层面劈,一边劈一边看,找到虫子就整理、编号、打包,背出山、带回实验室。然后把每一块清理、讨论、鉴定、分类、记录。”傅东静说,“每一块化石都有一个故事,每一个关于它们的故事我们都烂熟于心。”

每发现一种寒武纪生物化石,研究者就需要大量查阅资料。研究的结果越来越令人兴奋,已研究的4351件化石标本中,已初步研究发现109个属,其中53%为此前从未有过记录的全新属种!

生物统计学“稀疏度曲线”分析显示,清江生物群的物种多样性,将有望超过包含布尔吉斯页岩和澄江在内的全球已知所有寒武纪软躯体化石库。

据介绍,如今地球上的动物界共有38个门,在寒武纪生命大爆发时期的化石中,已发现20个现生的动物门类和6个已灭绝的动物门类,但目前仍有18个现生动物门类尚未在寒武纪找到化石代表。在过去的35年间,古生物学家曾在澄江生物群的研究中找到了许多动物门类的最早化石记录。

在位于长阳丹江河附近的团队工作室墙上,挂着科研团队用显微镜放大后的照片,那是科学家心中5.18亿年前的海洋世界。这些古生物有的像水母、海虾、蠕虫,有的像西瓜、花朵……有的甚至连触角和腹部的纹理都清晰可见,栩栩如生。

张兴亮兴奋地说:“目前后生动物属中,85%不具有矿化骨骼,且绝大多数为水母、海葵等没有骨骼的动物。能发掘出如此多形态完整的软躯体化石,实属罕见。”

他解释说,这些化石的“超高保真”,是由于清江生物群化石主要以原生碳质薄膜形式保存,未经明显的成岩作用和风化作用改造。

目前只是掀开了冰山一角

5.18亿年前的更多未知奥秘等待科学家去探索

清江生物群距离澄江生物群1050公里。张兴亮告诉我们:“生物地层学研究显示,清江生物群和澄江生物群是同时代、位于不同古地理位置的生物群。二者都距今约5.18亿年,处在寒武纪生命大爆发时期动物门类爆发式出现的极盛时期。两者的科学研究价值具有很强的互补性。”

张兴亮认为,与澄江生物群相比,清江生物群生活于远离海岸的较深水环境,代表了不同生态环境下的全新生物群落,这一点从其超过半数以上的新属种可以证实。因此,清江生物群后续的大规模发掘,将为发现和探索新的躯体构型和新的动物门类提供第一手材料,将进一步提高我们对寒武纪大爆发的科学认识。

此前,以中科院院士舒德干领军的西北大学地质学系早期生命与环境创新研究团队,在达尔文提出的地球生命呈“树形演化”猜想基础上,通过数十年的研究与实证,勾勒出了寒武纪生命大爆发时基础动物、原口动物、后口动物三大枝系演化“大树”的基本轮廓,进而在全球首次构建了完整的早期动物谱系树框架图。

“通过我们已开展的研究发现,清江生物群中双胚层辐射对称的动物占主导,刺胞动物身体构型分异度高,蜕皮动物类群中极其罕见的动吻动物繁盛。此外,我们还发现了许多形态奇异的崭新物种。随着研究的展开,清江生物群将为‘早期动物谱系树’到底在哪里分叉、在哪里开枝散叶,找到更多生物进化的直接证据。”傅东静说。

清江生物群化石能以原生碳质薄膜形式保存,也是开展埋藏学和地球化学研究,进而开展深入古环境研究的理想素材。

据介绍,动物的系统发育、营养动力以及关键进化特征的出现等问题研究,依赖于发现更多的软体结构和更优质的形态保存,如内脏、鳃条、脊索、神经组织、心血管系统等等。然而,这些都属于埋藏上高度不稳定的组织器官。到底是怎样特殊的埋藏机制,才使得布尔吉斯页岩型化石库能够保存软体结构?这也是清江生物群今后研究需要解决的问题。

张兴亮团队认为,目前全球两个保真度最高的布尔吉斯页岩型化石库——布尔吉斯页岩生物群和澄江生物群,在埋藏之后分别经历了高温变质、风化作用等严重的地质改造,其样本已无法用于深入开展埋藏学研究。而在清江生物群发现的软躯体化石,奇迹般地以原生碳质薄膜形式保存了原始的有机质。

“毫无疑问,这里将为开展埋藏学和地球化学研究,进而开展深入的古环境研究提供理想素材。困扰学术界多年的动物软体结构特殊埋藏机制问题,或将在清江生物群得到破解。”张兴亮说。

“清江生物群研究工作才刚刚开始,我们只是掀开了冰山神秘的一角,初步报道描述了该生物群的化石组合面貌。古生物分类学和谱系分析将解决动物门类起源与演化问题。沉积学、埋藏学、地球化学的研究将解决化石为什么保存这么好、环境条件如何等问题。后续可能还需要几十年,甚至几代人的研究。”张兴亮说。

相关报道:中国湖北省宜昌发现寒武纪特异埋藏软躯体化石库 英国媒体称“极其不可思议”

(36500365uux.cn报道)据中国日报网:欧洲时报网报道,近日,中国湖北省宜昌长阳地区发现的寒武纪特异埋藏软躯体化石库研究报告在美国《科学》杂志上发表,英国主流媒体对中国的这一巨大发现进行了详细报道,并称之为“令人极其不可思议”的巨大收获。

英国广播公司(BBC)报道称,3月22日,《科学》杂志刊载了中国西北大学早期生命与环境创新研究团队发表的《华南早寒武世布尔吉斯页岩型化石库——清江生物群》。研究团队在湖北省淡水河和清江河交汇处上发现了数以千计惊人的化石群,被称为清江生物群。

英国《卫报》称,这些化石展现了原始形态的水母,海绵,藻类,海葵,蠕虫和节肢动物的细鞭状触角被埋在古老的水下泥石流中得以保存。这些生物在化石中保存得如此完好,以至于身体的软组织,包括肌肉,内脏,眼睛,鳃,嘴等等都仍然可见。

《卫报》进一步表示,这些化石有机体的历史可以追溯到5.18亿年前,当时地球上的生命体经历了一场被称为寒武纪爆发的大规模物种爆发,这一事件标志着许多异常生物的到来。有些生物在那时灭绝,而另一些生物则开始繁衍生息。

科学家到现在还在争论是什么促使寒武纪爆发。其中一个想法是,生命偶然发现了建立动物体的遗传工具,但是食物链的形成,板块漂移,营养物质涌入海洋等等现象也都可能在寒武纪爆发中发挥了作用。清江生物群的发现为科学界提供了一个生活在寒武纪时期生物生态系统的写照。研究人员在《科学》杂志上的研究报告描述了寒武纪清江的生物被海底泥石流吞没,将它们卷入更深更冷的水中。这些生物被埋在细小的沉积物中,导致正常的腐烂过程停止,这让它们可以被完整保存下来。

BBC在报道中说,超过一半的化石是以前未被发现的物种,古生物学家称之为“不可思议”。在清江生物群已收集了20000多个标本,到目前为止已分析4351个标本。《卫报》报道,这些已分析标本被归为101个种类,其中53个全新种类。

研究团队领队之一、中国西北大学的张兴良教授告诉BBC,这些化石将成为“研究早期生物起源极其重要的来源”。参与这项研究的地质学家罗伯特盖恩斯教授表示,大多数化石通常由硬体动物转变而成,软体动物通常是不会转化成化石的,所以此次发现在早期生物研究中是一大突破。其中,海蜇和海葵化石尤其引起科学家的兴趣,盖恩斯称这种化石有别于他见过的所有事物,它们的数量之多和丰富多样的形态都令他震惊。

BBC报道称,研究团队现在正在记录剩余的标本,并在该地区进行更多的钻探,以了解更多有关古老的当地生态系统和化石石化过程的信息。这些化石来自寒武纪时期,这一时期始于5.41亿年前,从这时期起,地球上的动物多样性迅速增加。盖恩斯希望他的研究也会引起现代读者的共鸣。“生物多样性在现在看来是理所当然的事情,然而,大多数主要的动物族系都是因为寒武纪的爆发而产生的,这样的爆发前无古人后无来者。这也说明我们与所有活体动物的深厚亲缘关系。”

《卫报》表示,杜伦大学的古生物学家马丁·史密斯称,清江生物群为生物进化史提供了重要且极其细节的证据。

“它的保存质量令人惊奇,”他说,“如果你派一个时间旅行者带着相机和一台X光机回到寒武纪时期,他们带回来的图像将与这些化石别无两样,这些化石保留了比人类头发更精细的细节。”

史密斯表示,这些化石将有助于人们研究生物进化的进程,探索生物如何从远古简单生物体进化到现在的生物多样性。这些保存完好的化石将帮助人们分辨出大脑等复杂器官是如何进化的。

BBC报道指出,洛桑大学的古生物学家艾莉森·戴利教授虽未参与该研究,但他在《科学》杂志中撰写了一份附带分析,并告诉BBC,这是过去100年以来最重要的一项发现。

《卫报》报道称,戴利说,清江生物群化石中的两个物种对她很有吸引力。第一个是动吻动物门,也被称为泥龙。现在这些类似蠕虫的生物长达几毫米,生活在柔软的泥土中。但化石显示泥龙在远古时期长达4厘米,让人很难想象现在的泥龙有比它长十几倍的祖先。

戴利说,清江生物群发现了大量的栉水母。这些肉食性海洋生物是生命史上最原始的生物之一,研究它们可以帮助科学家追溯动物进化的第一步。“这只是一系列备受瞩目的研究中的第一篇,将会有更多研究揭示关于寒武纪生物秘密的答案。”




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