5.3亿年前华北首次发现寒武纪生命大爆发的未解之谜

2022-04-28 11:43:50科技日报

澄江生物群代表了寒武纪生命大爆发的高峰期。在那之后，生命演化呈现什么规律，与奥陶纪生命大辐射如何衔接?解开这个谜团就需要“中寒武统”的华北板块“接力”跑下去。

在距今约5.3亿年前，一个被称为寒武纪的地质历史时期，地球生物界发生了翻天覆地的变化：在2000万年的时间内，地球上突然涌现出各种各样的动物，它们不约而同地迅速起源、同时出现。

这就是著名的寒武纪生命大爆发。这些动物为何会在短时间内大量出现，至今仍被国际学术界列为“十大科学难题”之一。

为了解开这个难题，科学家在世界各地广泛收集寒武纪生物化石。但奇怪的是，寒武纪特异埋藏化石库的时间和空间分布并不均匀，大多数著名的寒武纪特异埋藏化石库都集中分布在华南板块和劳伦大陆(今北美大陆的主体)。

前不久，《国家科学评论》在线发表了中国科学院南京地质古生物研究所的一项最新成果，科研人员在华北地区首次发现距今约5.04亿年的寒武纪特异埋藏化石库，并将其命名为“临沂动物群”。这一发现让我们对5亿年前发生在华北板块上的生命演化故事，有了更为清晰的认识，也为研究地球生命演化打开了一扇新的窗口，补上了一块新的拼图。

寒武纪生命大爆发的未解之谜

对于过去，人类总有一种天生的好奇和敬畏;对于生命，人类也还有很多未知等待探索。

地球上所有的生命形式可以分成7大类：动物、真菌、原生动物、植物、古菌、细菌和病毒。其中，动物是从寒武纪开始集中、大量出现的。

中国科学院南京地质古生物研究所寒武纪大爆发研究团队的赵方臣研究员介绍说，在寒武纪早期几千万年的时间内，突然出现门类众多的无脊椎动物。节肢、腕足、蠕形、海绵、脊索动物等一系列与现代动物形态基本相同的动物在地球上来了个“集体亮相”。随后，包括脊椎动物在内的几乎所有动物门类在几百万年间快速出现，前寒武寂静的海洋瞬间变成了热闹的动物园。

也就是说，在不到地球历史1%的时间里，寒武纪生命大爆发诞生了地球上绝大多数动物门类，奠定了现今动物门类多样性的框架。

但是，令科学家不解的是，在早期更为古老的地层中，长期以来没有找到其明显的祖先化石的现象。同时，寒武纪特异埋藏化石库的时间和空间分布也不均匀，大多数著名的寒武纪特异埋藏化石库都集中分布在华南板块和劳伦大陆。

比如大家比较熟悉的布尔吉斯动物群在北美洲的加拿大发现，澄江动物群在我国的云南发现。而2019年在宜昌发现的清江生物群，与澄江动物群同属于华南板块。

这种地理分布的不均衡在寒武纪中期(苗岭世)表现最为明显：这一时期几乎所有的特异埋藏化石库都位于劳伦大陆，而此时恰恰是寒武纪演化动物群最为繁盛的阶段。“因此，这些客观条件在很大程度上制约了我们对寒武纪演化动物群面貌和格局的全面认识。”赵方臣说道。

我国是一个化石资源非常丰富的国家。据地质古生物学家调查发现，华北地区有大量的寒武纪地层，但长期以来，还没有发现类似的软躯体保存的特异埋藏生物群。理论上，华北板块不可能错过寒武纪生命大爆发，那么，这些化石究竟埋藏在哪里呢?

超35个化石类群现身“临沂动物群”

近年来，中国科学院南京地质古生物研究所寒武纪大爆发研究团队在这一地区展开了大量野外工作，并选取代表性层位和剖面进行了集中采集，收集到了数千枚精美的化石标本。

本次综合研究的“临沂动物群”来自山东省临沂市西郊的寺口剖面，软躯体化石集中产出于寒武系张夏组盘车沟段下部的黑色与黄绿色页岩中。科研人员根据其中的三叶虫，确定特异埋藏化石库的时代为距今约5.04亿年寒武纪苗岭世鼓山期的早期，稍微晚于布尔吉斯页岩生物群。

赵方臣告诉记者，目前，已有超过35个化石类群在“临沂动物群”中被发现，丰富了这一时期海洋生物与群落的多样性面貌。其中组合中多样性最高的类群是非三叶虫节肢动物，又以奇虾类和莫里森虫类最为引人注目。除节肢动物以外，多样的海绵动物和蠕虫状动物也值得进一步深入研究。

“‘临沂动物群’中的化石大部分为软躯体形式保存，且许多都保存了精细的解剖结构，如附肢、眼睛、消化系统和刚毛等，为我们进一步了解这些生物的解剖结构提供了新信息。”赵方臣说。

赵方臣表示，软躯体动物极易分解腐化，很难保存为化石，只有在特定条件下才能形成化石。在华北地区，过去也有科学家采集了大量寒武纪化石，但都是保存在硬质的碳酸岩中，化石大多为三叶虫的骨片，而对泥岩的采集鲜有涉足。

经过对软躯体化石保存条件的深入研究，赵方臣决定对华北地区细腻的泥岩进行挖掘。经过数年的采集，大量寒武纪软躯体动物化石重见天日。

科研人员发现，与其他经典的布尔吉斯页岩型特异埋藏化石库一样，临沂特异埋藏化石库中的软躯体结构以碳膜的形式保存在背景层与事件层交互出现的地层中，证实了类似的埋藏学路径在软躯体化石保存中具有普遍性。

华北首次发现寒武纪特异埋藏化石库

作为华北板块第一个被综合研究的寒武纪特异埋藏化石库，科学家对“临沂动物群”寄予厚望。它有望为华北寒武纪特异埋藏化石库的研究开启新的篇章。

“在寒武纪时期，地球大陆的板块与现在大不相同，我国的华北板块与长江流域的场子地台、华南地区的华南褶皱区还处于分离状态。华北板块是一个独立块体，当时临沂所在的位置，大概位于华南和加拿大中间，是茫茫大洋中的一块孤岛。”赵方臣说，作为中国传统“中寒武统”的标准地区，华北板块的寒武纪中期地层序列完整，化石丰富，是寻找这一时期特异埋藏化石库的潜力地区。

而远在数千公里之外的华南板块，澄江生物群代表了寒武纪生命大爆发的高峰期。在那之后，生命演化呈现什么规律，与奥陶纪生命大辐射如何衔接?解开这个谜团就需要“中寒武统”的华北板块“接力”跑下去。

“我们认为生命演化是有连续性的，华北板块发现的‘临沂动物群’正好接上了澄江生物群，可以研究两者之间的相关性。”赵方臣表示，华北板块寒武纪特异埋藏化石还有待进一步发掘研究，有望在更晚的地层中获得新的发现，把寒武纪到奥陶纪的生命演化故事讲得更完整。

同时，“临沂动物群”与同期的北美特异埋藏化石库之间有许多相同的生物类型，其中一些珍稀节肢动物，如迷音虫和莫里森虫，即使在原产地北美也十分少见，这暗示了华北与北美软躯体动物群在这一时期的密切联系。

通过聚类分析、非度量性多维标度变换和网络分析等定量分析手段，科研人员进一步明确了华北与北美软躯体动物群之间的联系。“这表明华北可能充当着东冈瓦纳与北美之间的生物地理纽带。不过，由于来自不同角度的古地理证据尚存在差异，这种联系的生物地理解释还需要进一步的研究评估。”赵方臣说。

(记者张晔)

关键词：生命大辐射科学难题生命演化未解之谜