来自寒武纪早期的古球蛋的未解之谜,究竟是什么呢?

文章作者:bianji3 | 2018-03-30
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      寒武纪是地质年代划分中属显生宙古生代的第一个纪,距今约5.7亿至5.1亿年,寒武纪是现代生物的开始阶段,是地球上现代生命开始出现、发展的时期。寒武纪对我们来说是十分遥远而陌生的,这个时期的地球大陆特征完全不同于今天。寒武纪常被称为“三叶虫的时代”,这是因为寒武纪岩石中保存有比其他类群丰富的矿化的三叶虫硬壳

上图古球蛋化石厚囊包及其显微结构 下图寒武纪早期宽川铺生物群中的古球蛋 (显微CT数据) 受访者供图  上图古球蛋化石厚囊包及其显微结构 下图寒武纪早期宽川铺生物群中的古球蛋 (显微CT数据) 受访者供图

  爱吃巧克力的人都知道,香味浓郁的费列罗巧克力,以其独特的造型和丰富的层次,让人久久回味。然而,一种形似费列罗、来自寒武纪的疑难化石——“古球蛋”却让全世界科学家都犯了难。这种远古化石虽然外形与结构酷似费列罗,但其真实身份却始终是个未解之谜,自1977年首次报道以来,还不曾有科学家弄清它究竟是什么。

  近日,中国科学院南京地质古生物研究所发布消息称,由包括该所副研究员殷宗军等人在内的中、美研究者组成的团队,通过技术手段,证明了古球蛋化石的生物学属性,研究成果在国际著名地学杂志《地质学》上发表。那么,这种远古的球型化石究竟是什么?它的身份揭晓又有什么意义呢?

  来自寒武纪的化石界“费列罗”

  “古球蛋整体呈球状或椭球状,它的最外层是凹凸不平的薄壳,壳内有一层厚且多孔状的‘夹心层’,最内层被包裹的是一个球状的生物细胞团……”

  在中科院南京地质古生物所实验室,殷宗军为记者描述了高分辨率显微CT观测到的古球蛋外形特征。

  古球蛋产生于5.3亿年前的寒武纪早期。“在全世界很多地方都有发现。我们的标本是在陕西省西乡县发现的,之前古生物学家还曾经在我国华南、加拿大、西伯利亚、澳大利亚等地发现过。”殷宗军说。

  单用肉眼很难发现古球蛋化石,它的直径大约为0.4毫米—2毫米。多数情况下,它只保存了一个囊包(相当于卵壳),就像一个空心球。囊包壁不分层,厚度在20—40微米左右,囊包外表面发育了密集的瘤状装饰,囊包壁发育很多气孔状结构。保存较好的标本,可以在囊包内部看到胚胎。

  经历数亿年的沧海桑田巨变,古球蛋化石能保存至今本身就是一个奇迹,因为它的个头实在太小了,面对强大的地质运动,它的抗压能力太弱,很多古球蛋都在保存为化石的过程中压扁了。这也导致它的真实“身份”更加扑朔迷离。

  显微CT助科学家探究古球蛋真身

   在寒武纪前后,有很多至今无法破解“身份”的疑难化石。比如,眼前这颗磷酸盐质地、直径1毫米左右的微型化石——古球蛋。那么,为什么几十年来科学家都搞不清它到底是什么呢?

  “可能有两方面原因,一是关注研究古球蛋的科学家并不多,二是前人的研究工作都比较早,采用的研究手段和技术也比较传统,获得的信息少,因此没有足够的证据弄清楚古球蛋究竟是什么。”殷宗军说。

    过去,也有古生物学家对古球蛋进行研究,但基本是简单的报道和囊包形态学的观察,对其完整的三维结构,尤其是内部结构了解的很少。由于古球蛋长得圆头圆脑,与动物的卵(蛋)颇为相似,因此有学者猜测它们可能是动物的卵(蛋)。但这也仅仅是猜测,除了外观形态和尺寸的信息外,没有别的证据来支撑这个猜测。

  在此次研究中,科学家采用了高分辨率显微CT技术,从微观角度首次观察到这种神秘化石的三维结构。这种显微CT分辨率达0.8微米,为一根头发丝的百分之一。他们选择了保存较好的古球蛋化石,其内部的胚胎部分腐烂的较少。通过CT扫描,科学家清晰地看到,古球蛋最内部的细胞团遵循一种不增长分裂模式。即随着分裂的进行,细胞数量越来越多、但单个细胞体积越来越小,细胞团总体积没有明显变化。这些特征和一些现代水生无脊椎动物的休眠卵非常一致,这说明,古球蛋很可能是寒武纪早期水生动物的休眠卵。

  “休眠胚胎即休眠卵,又称滞育胚胎,意思是停滞发育的胚胎。”殷宗军说,正常条件下,动物受精卵会经过胚胎发育阶段发育成幼年个体、成年个体,但有一些动物,主要是水生无脊椎动物,在外界条件比较恶劣的时候,比如水体缺氧、缺乏食物来源、温度太低时,它们就会产下一种休眠卵,这种卵卵壳很厚,可以起到保护作用,卵壳内部的胚胎发育到一定阶段后发育停滞,处于休眠状态,直到外界条件好转适合生存了再启动发育。

  休眠卵和正常发育的卵最大的区别是休眠卵有一个厚的囊包,囊包表面往往发育复杂的装饰,对胚胎起到保护作用,帮助休眠卵抵抗恶劣的外界环境。而这个结构是正常发育的卵所不具备的。

  搞清“小不点”化石有大意义

  很多人可能并不觉得,知道了古球蛋的“身份”有多大意义。但殷宗军不这么认为,他表示:“想了解这个意义,就要从寒武纪大爆发说起”。

  地球有46亿年历史,但动物起源比较晚,寒武纪之前的动物化石记录非常稀少。在寒武纪早期,几乎现代所有动物门类的祖先类型都出现在海洋中,这被称为寒武纪大爆发。古球蛋这个“小不点”可是寒武纪大爆发的见证者之一。“作为胚胎,它们记录了常规化石所不能反映的动物个体发育过程的信息,为我们了解动物祖先是如何发育的提供了一个实证,也为我们了解现代动物的形体结构是如何演化而来的提供了线索。”殷宗军说,除此之外,搞清古球蛋是什么,还有3方面意义:

  一是弄清楚了古球蛋的生物学属性,也就是说古球蛋不再是疑难化石了;

     二是知道了“老祖宗”早就学会了用“睡一觉”熬过最艰难的苦日子。现代很多水生无脊椎动物,比如轮虫、丰年虫、鲎虫(网红三眼恐龙虾)等均能利用休眠胚胎机制来抵御不利环境进行繁殖。这种独特的发育机制为它们度过恶劣环境,扩张生态空间带来了优势。此次发现表明,这种发育机制早在5.3亿年前就已有之,并且延续至今。说明这种发育机制起源很早,而且很实用。

  三是暗示了寒武纪早期全球很多海洋(浅海)水体的氧化程度,远未达到正常水平。前人曾估计寒武纪早期全球浅海海水含氧量基本达到了与现代浅海差不多的水平,而古球蛋的全球广布,说明当时很多地方的浅海环境并不像之前估计的那么好,当时全球海水氧化程度并不均一。

  科学家认为,古球蛋化石的研究,不仅为研究早期动物发育机制的起源和演化、寒武纪早期浅海海洋环境氧化程度找到入口,而且还为人们重新评估寒武纪早期广泛分布的疑源类化石的生物学属性带来了新的启示。

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