地球上最早的动物,可能被她找到了
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地球上最早的动物,可能被她找到了

2021年08月01日 16:00:31
来源:果壳

伊丽莎白·特纳 | 劳伦森大学

在我们的印象中,5亿多年前的寒武纪生命大爆发如同动物摇篮——在很短的时间内,动物化石记录从无到有,并且迅速出现了众多动物类群。尽管最近数十年的化石证据发现,动物起源的时间早于寒武纪,但目前最早动物的化石记录始终没有早于6.6亿年前。

就在今天,一项发表于《自然》杂志的研究,有可能将这一时间大幅提前——一位加拿大地质学家提出,她找到了8.9亿年前的海绵化石。但论文一经发布,争议也接踵而至……

撰文 | 吴非

上世纪90年代的一天,正在加拿大女王大学读博的伊丽莎白·特纳(Elizabeth Turner)来到了加拿大西北地区的马更些山脉。她所在的地点是加拿大最为人烟罕至的地区之一,而她进入这片区域的过程更是费尽周折——由于周围根本没有公路,她只能乘坐直升飞机抵达附近,然后徒手向陡峭的山峰攀爬。

上世纪90年代,特纳找到化石的地区 | 特纳/劳伦森大学

这位地质专业的博士生来到这里的原因在于,这里保存着大量叠层石。叠层石是蓝细菌生命活动的产物:它们产生的黏性物质如同胶水,将海洋中的碎屑颗粒粘合起来,形成层状的化石记录——叠层石。目前地球上最古老生命的确凿证据,就来自澳大利亚的35亿年前的叠层石。而特纳脚下的这片地区在近10亿年前被广阔的海洋覆盖,经过之后的抬升作用,绵延的山脉携带着包括叠层石在内的海底地质记录浮出水面,呈现在世人眼前。

在考察现场,受观测工具的限制,特纳能确定的信息很有限。因此,她只能尽可能多地选取代表性的样本,将它们送到实验室的显微镜下进一步研究。这时特纳自己也没有想到的是,在20多年后,她可能从叠层石这种古老的生命形态里,找到了全世界最古老的动物。

20多年的等待

从野外回到女王大学地质科学系的实验室里之后,特纳仔细分析了这些古老的岩石样本。一系列定年方法已经确定,这些样本来自大约8.9亿年前的新元古代(寒武纪之前的地质年代,10亿~5.4亿年前)。这时,地球的面貌与今天的相距甚远——地球的大气层里几乎没有氧气,生命形态仍然停留在原始的微生物阶段。

但当特纳在显微镜下观察这些来自原始阶段的岩石薄片时,却看见了令她感到震惊的图像。在深色的叠层石中,出现了大量彼此交错的白色树枝状纹路——天文爱好者可能会联想到宇宙纤维网络,吃货可能会想起和牛的雪花纹路,而对特纳来说,这些不到毫米尺度的结构令她头疼却又兴奋。

特纳在显微镜下看见的树枝状结构 | 特纳

此后,特纳又陆续在一些其他薄片里看到了这样的结构。对于博士阶段的特纳,要解释这些奇怪的结构实在是有些困难。当她将这些图像发给其他研究者时,也没有人能确定它们是如何形成的,又是否与生命存在特定的关联。于是,特纳将这些化石和心中的疑问一同暂时收藏了起来,等待让谜底揭晓的线索出现。

最终,来自现代海绵的高清显微镜图像给了特纳启发。作为地球上结构最简单的多细胞动物,海绵没有肌肉、没有神经系统,为了生存,它们演化出了很多令人诧异的生理特征——例如,一种由蛋白质组成的柔软骨骼。

海绵的细胞会分泌一种特殊的蛋白质——海绵硬蛋白(spongin)。这类蛋白质能帮助海绵拥有纤维状的柔软骨架,正是这些骨架赋予海绵躯体柔韧性。当这些硬蛋白出现在显微镜下时,特纳注意到,它们与8.9亿年前化石中的树枝状结构非常相似。随着最近几年,一些更为年轻的化石中同样出现了高度相似的结构,并且被解释为海绵的硬蛋白遗迹,特纳开始相信,她在上世纪找到了那些化石,就是海绵的硬蛋白。

现代海绵硬蛋白组成的纤维 | 特纳

伴随着更细致的观察、建模以及分析,特纳在一篇刚刚发表于《自然》杂志的论文中呈现了来自8.9亿年前的生命故事。值得一提的是,与当今绝大多数依靠团队合作完成的论文不同的是,这篇最新的论文只有特纳一位作者。

在特纳的故事中,在曾经的海绵在浅海中度过一生、倒向海床,被泥沙埋藏之后,一些关键的转变出现了。当海绵的躯体早已消失,它们的硬蛋白在埋藏过程中逐渐被钙质矿物(例如方解石)替代,最终呈现出中空的管状结构——而这也正是特纳在化石里看到的形态。

大幅提前

如果特纳的推论最终得到证实,人类对于动物起源的认知将被彻底改写。

关于动物的起源,我们最熟悉的莫过于寒武纪生命大爆发。来自全球各地的化石忠实地记录下了这段时间海洋里的巨变。从5.41亿年前开始,海洋中的动物似乎从无到有,突然大量涌现。在短短的2000万年内,主要的动物类群纷纷出现。因为这些化石记录,在很长一段时间内,寒武纪都被视作动物的起点。

不过最近半个世纪,不断涌现的化石证据表明,动物爆发的时间可能需要有所提前。在早于寒武纪的埃迪卡拉纪(约6.35亿~5.42亿年前),多个生物群中都出现了动物的身影。这些广泛分布在全球的化石记录说明,动物的爆发时间比之前认为的更早。可以说,这些生物群的出现为我们追溯复杂动物的起源提供了全新的窗口。

目前,最古老动物的确凿证据来自5.71亿年前的软躯体动物化石,这是一种形似巨大树叶的原始动物。不过,在直接的动物化石之外,一些间接证据将动物的诞生推向更早的年代。2018年,一项发表于《自然·生态学与演化》的研究就在来自阿曼、西伯利亚和印度的岩石中,找到了一种名为26-甲基豆甾烷的类固醇化合物。它的特别之处在于,在自然界中,已知只有海绵才能合成这种化合物。因此,这些可以追溯到6.6亿~6.35亿年前的生物标记物可能表明,早在那时就已经有动物在海底生活。

相比之下,特纳在最新研究中提出的动物诞生时间,远远早于目前的任何直接或间接化石证据。

论文中的化石可能代表了与今天的树角海绵相似的远古海绵 | wikipedia

巨大争议

如果特纳的结论最终得到证实,古生物学家们将面临另一个更加严峻的难题:这些最早的动物,是如何在氧气含量极低的地球中生存下来的,它们又是如何在随后度过被冰雪覆盖的雪球地球的?

当我们回顾地球的演化历史,会发现地球的绝大多数阶段都是不适合动物生存的。其中一个关键因素是,大气层中丰富的氧气,是直到“近期”才形成的。从最早的光合作用细菌出现开始,地球的氧化过程经历了数个阶段,但直到8亿年前,氧气才开始在大气层中积累。在此之前,地球大气中几乎没有氧气,海洋也处于严重缺氧的环境中——按理说,动物无法在这样的条件下生存。

对于这一点,一些能在缺氧条件下生存的现代海绵或许可以说明,8.9亿年前的环境可能是某些海绵能够忍受的。但即便如此,这些早期动物在随后还要面临另一项挑战。大约7亿年前,地球遭遇了地球生命史上最严峻的气候危机。这一次不是变暖,而是覆盖全球的雪球地球。在近1亿年的时间内,整个地球可能被上千米厚的冰层覆盖,在这样的情况下,海水中的动物又是如何克服如此极端的生存条件的?

对于古生物学家而言,这一系列问题值得他们去进一步思索——当然,这一切的前提是,特纳的结论是正确的。特纳找到的化石,真的是史前动物的杰作吗?至少目前看来,这项研究一经发布,就引起了很大的争议,并且这样的争议或许会长期延续下去。

目前争议的焦点在于,这些形态化石究竟代表了什么?是海绵,还是其他更简单的生命?或者说,这一定是生物缔造的结构吗?

尽管在这项研究中,特纳声称当时的微生物均无法产生类似的复杂形态,但在不少古生物学家看来,这项发现远远不足以与“动物”画上等号,因为一些其他形态的生物(微生物)也能产生这样的树枝状结构。甚至有人认为,即使不需要生物作用,矿物自身也能长出类似的形态。

显然,无论目前的观点如何,众多研究者都认为,形态学证据本身还太过单薄。遗憾的是,由于保存条件不利,这些样本里没能保留生物标记物的证据。或许,在下一个8.9亿年前或者更早的动物化石证据出现之前,关于特纳以及这些“最早动物”的争论仍将延续下去……