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澄江動物群:劈開寒武紀的巖層
2022-07-17 13:10:09   來源:化石網   評論:0 點擊:

(化石網整理)據《三聯生活周刊》(作者:薛芃):在80年代的研究中,澄江生物群被定位在距今約5 4億年的時期。時至今日,近40年的學術研究,將這個時間拉近到了約5 18億年前。澄江動物群奇蝦化石有澄江動物群化
(化石網整理)據《三聯生活周刊》(作者:薛芃):在80年代的研究中,澄江生物群被定位在距今約5.4億年的時期。時至今日,近40年的學術研究,將這個時間拉近到了約5.18億年前。
 
 
澄江動物群奇蝦化石
 
 
有澄江動物群化石出現的地方,多伴隨大量磷礦的出現
 
從澄江動物群開始
 
烈日之下,卡車一車一車地將剛采集出來的磷礦原石運出礦場。砂土黃與黛黑相間的山巖被整齊地分割出層次,呈階梯狀。巖石表面,又附上了一層綠色塑料織網,是為防止因雨水引發的石塊下滑。開采場有五六十個足球場大小,拉礦的紅色卡車穿行在其中,仿若科幻片里的場景。
 
這是一處在昆明市郊的磷礦場,上世紀80年代就開始運轉,直到現在。偌大的開采場里,幾乎沒有一塊巖石會被單獨地、具體地關注,它們的命運是被卡車集體拉走。而在礦坑的邊緣處,隱藏著一處長十多米、高5~6米的剖面,乍看之下,跟其他巖體并無分別,但用手一試便知,巖性更加脆軟,容易劈開。這塊山巖里,埋藏著大量化石,是5億多年前寒武紀時期的痕跡,也是磷礦場里特殊的存在。
 
2021年,礦場開啟新一輪開發,要動到這塊地層。得知消息后,云南大學古生物研究院的師生急了,他們連忙申請保護下這部分山巖。“我們能做的,只有搶救性維護。”研究員劉煜說。接下來,就是跟礦場開發的爭分奪秒,必須在15天之內,將這一部分山巖進行整體切割、搬運。最終搶救出1000多卡車的巖體,在礦山的附近找到兩處空地,用來存放這些巖層,他們稱之為“堆場”。如今,這處寒武紀的原始巖層已經混在礦山中無從辨認,“堆場”這邊,師生和工人每日將大石塊一一劈碎,尋找著其中的化石。“這些體量的巖體,至少夠我們消化七八年。”劉煜說。
 
這一塊被搬運出來的巖體,并非整個礦場中唯一有寒武紀化石的巖層,只是數量相對較多,也集中,其他地方也會有巖層零星分布著化石,但無從考察,更難以大面積開采。事實上,在昆明市周邊,還存在著不少寒武紀早期的化石遺存,根據地層的層位判斷,通常劃歸到著名的澄江動物群中,共同構成了這個如今全球范圍內“最早的多細胞物種集群”。
 
1984年7月,南京地質古生物研究所的侯先光在云南澄江一帶進行野外考察。他原本是要去找高肌蟲,一種體積非常小的節肢動物。在此之前的近一個世紀,為了修滇越鐵路,法國地質學家就首次調查過澄江一帶。隨后的100年,斷續有地質學家涉足澄江,對澄江的地層結構做了初步分析。到了侯先光的時候,學界已經明確知道“澄江是全球寒武紀地層的一處標桿”,但關于古生物和化石,知之甚少。
 
在一如往常的野外調查中,“突然,一枚栩栩如生的標本暴露在濕漉漉的巖石面上。這枚標本有四五厘米長,動物向前擺動的腿肢對稱地分布在背甲之下。7月是云南的雨季,潮濕而細膩的泥巖層像是水底,那一剎那,我感覺好像這個動物在渾濁的水底游動”。侯先光提起當年的發現,依然激動。在他豐富的化石記憶儲備中,他想到這跟20多年前加拿大人發現的布爾吉斯頁巖化石群中的某個物種很像。在仔細觀察后,他發現并非同一物種,眼前的這枚化石,細膩地保存了軟軀體部分,后來經過仔細鑒別,確認是一枚納羅蟲的化石標本。
 
在發現這塊化石之前,侯先光非常焦慮不安。十幾天在澄江的野外考察沒有任何收獲,他很苦惱:“古生物是一個以化石材料為基礎的學科,如果沒有化石,就意味著學術研究沒有未來。”令他沒有想到的是,眼前的這一塊化石即將開啟一個新的古生物研究時代。
 
在這之后,國內寒武紀古生物學研究者紛紛來到澄江,加入澄江動物群化石的采集和研究中,其中另以南京地質古生物研究所的陳均遠和西北大學的舒德干為主,經過近40年、兩三代人的研究,5億年前的地球生命已經變得越來越清晰。
 
 
澄江動物群迷人林喬利蟲化石
 
打開寒武紀的新世界
 
在80年代的研究中,澄江生物群被定位在距今約5.4億年的時期。時至今日,近40年的學術研究,將這個時間拉近到了約5.18億年前。這個數字的變化,一是將澄江生物群的存在絕對時間后推了2000多萬年,二是精確到了百萬年的量級。
 
5.18億這個數字,是用沉積物里的鋯石來定的。鋯石是火山巖中的一類礦物,當火山噴發時會形成各種結晶,從這一刻開始,“時間的發條就開啟了”,結晶中各種元素開始衰變。而寒武紀的年代太過久遠,在這數億年中,大多數元素都衰變完了,唯有很少的元素可以留到現在。鋯石里含有鈾,鈾的半衰期非常長,足以支撐到現在,提供時間的證據。
 
云南大學古生物研究院研究員翟大有指出,5.18億這個數字雖然已經相對精確,但學界也有人認為,這很可能仍是一個“高估的年齡”,也就是說,澄江生物群可能沒有那么老。因為測定材料使用的鋯石并不是火山灰鋯石,而是碎屑鋯石,是從帽天山頁巖中一個剖面上截取的碎屑鋯石,它可能是形成火山灰之后通過地質搬運作用才形成的,因此這中間可能存在一定的時間差。如果未來能直接找到澄江動物群巖層中的火山灰,或許可以測出更準確的年代。
 
在侯先光看來,絕對時間固然重要,但相對年代是地質學中更重要的,也就是說,地層的順序是不會改變的,地層的形成遵循一定的秩序,這比數字上的紀年概念更重要。
 
在如今發現的多處澄江動物群的化石出產地,科研人員都發現:通常在化石層的地層之下,總會有磷礦存在。這一點非常有趣,也就是在巨大的磷礦場中會出現澄江化石的原因了。侯先光解釋說,這有可能和當時海水的化學成分有關。在寒武紀時代,海水的含磷量增多,海洋動物的大量殼化或許也是受到海水礦物質成分的影響。而這種推測需要更具體的研究去支撐,不可否認的是,云南是磷礦大省,尋找澄江化石的研究者都會先跟磷礦打交道,去看當地磷礦的地層,就相對比較容易找到。
 
在澄江動物群形成的諸多原因中,磷礦是有所關聯,但未必是直接影響。侯先光解釋道:“澄江化石形成有三個重要條件:一是動物沒死或剛死時,快速被泥沙封存;二是沒有其他生物的擾動;三是這里可以保持長期穩定的缺氧環境,化石不易遭受破壞,才能形成我們所說的精品標本。”
 
 
澄江動物群的發現者、云南大學古生物重點實驗室創辦人侯先光
 
從寒武紀地球的版圖來看,澄江處在淺海大陸架的位置,有關澄江動物群的形成,在學界仍有一個爭議,爭議的焦點在于:它究竟是意味著寒武紀時代物種多樣性急速增加,還是只是一個特殊的埋藏性結果?
 
翟大有帶領學生對澄江一帶的地層做了更深入的調查。在地質學上,有一個“事件層”和“背景層”的概念。所謂事件層,就是當時發生了某個特殊事件,可能是某種自然性災害,導致地層結構發生變化;而背景層就是隨著時間推移的正常沉積,日復一日的緩慢沉積。事件層與背景層的面貌很不一樣。翟大有在一處9米高的剖面里,就發現有幾百個事件層,這就說明當時的沉積環境非常不穩定,而這種沉積事件是形成澄江埋藏的先決條件。
 
在云南大學研究員馬曉婭的最新研究中,她對澄江化石出產地層的完整巖芯進行了詳細的沉積構造和沉積微相研究,她認為當時的澄江一帶是三角洲前緣淺海環境,氧含量充足,營養豐富,間歇性的風暴流將澄江動物群分子搬運到毗鄰的缺氧或少氧的深水環境埋藏并保存下來。由于淺水三角洲環境較為動蕩,這些早期生物能耐受強烈的鹽度波動和快速的沉積物堆積。與此同時,這些不穩定的環境壓力也可能有助于早期動物的適應性輻射。在種種推論和研究下,澄江形成了保存有寒武紀軟軀體化石的特異埋藏。
 
 
澄江動物群奇麗灰姑娘蟲化石
 
看到那些曾經看不到的結構
 
經過30多年的研究,學界已經對澄江動物群中的大多數進行了辨識和分類,初步記錄下它們的形態學特征。這些成果匯集在一起,已經足以呈現寒武紀早期生命的大致面貌,人們可以根據這些研究,初步繪制出一幅寒武紀的海洋圖景:在浩瀚無垠的淺海區域,大量藻類植物襯托著各類微小動物,它們大多只有幾厘米長,有的有厚殼,有的有節肢,有的是蠕蟲狀,它們大多在海洋的最底部活動,體長最大的奇蝦統治著這個海底王國,看似風平浪靜,實則暗流涌動,海洋中優勝劣汰的生存法則已經逐漸形成。
 
然而,在這幅宏觀圖景之中,具體到每一個物種究竟是怎樣的具體構造?它們真的如想象一般,只是構造低級的簡單動物嗎?又與現生生物之間存在著怎樣的關聯?當寒武紀古生物研究發展到一定程度,該如何再往前走,如何能從宏觀視角走向微觀,如何能讓微觀研究做到更微觀、更具體,突破口是技術設備。
 
2015年,還在德國慕尼黑大學任教的劉煜發表論文,首次將顯微CT技術引入澄江生物群化石研究中。一年之后,他回到母校云南大學古生物研究院任教,跟他同時到來的,是學校剛剛為這個重點實驗室重金添置的一臺顯微CT設備。在這之后,澄江動物群化石的研究開啟了一個肉眼難及的微觀世界。
 
在云南大學呈貢校區的古生物研究院,我們見到了這臺設備。其實對于許多領域來說,它并不是一臺多么稀有的設備,在醫學、生命科學、微電子、精密儀器等各領域都有所應用,但用在古生物領域里來研究化石,在國內尚屬少見。在顯微CT的觀測下,依賴化石內部的密度差,掃描成像時可以將不同密度的物質區分出來,從而更精細地提取出化石中的有效信息。“但這并不意味著,顯微CT適用于所有化石,它對化石的密度差有一定要求。幸運的是,澄江化石的形成經歷過一個很重要的黃鐵礦化的過程,也就是說,在動物軀體的表面,附著著一層特有的黃鐵礦,這樣就可以與化石周邊的圍巖很好地區分開來,從而在CT掃描的過程中,過濾掉圍巖雜質,更精準地提取出動物樣本。”劉煜說道。
 
 
云南大學古生物研究院研究員劉煜
 
在實際操作時,這一節肢動物。當比例一直放大,小蟲的各個部位越來越精細,頭部逐漸占滿屏幕,觸角、腿肢分節逐漸清晰。這是根據四五個小時不斷360度掃描,由多方位二維圖像拼接出的三維圖像。
 
由于寒武紀年代久遠,動物生命個體又比較小,如今可見的化石多呈二維平面,被壓扁在巖縫中。但在CT掃描下,科研人員第一次看到立體、完整的澄江化石。“最令人驚喜的,是可以看到動物還埋在巖石內部的那一面的信息。我們現在在做的,就是在不破壞外表的情況下,看清楚動物的三維結構。這在侯老師那一輩是無法想象的,他們只能用鋼針一點點地剔除圍巖。”
 
在實驗室的架子上,擺放著那只掃描出的林喬利蟲——一只僅有7毫米長的微小動物,僅用肉眼或光學顯微鏡都無法更清晰地分辨出它的內部結構。在澄江生物群中,節肢動物占70%左右,是數量最龐大的一類。除了動物身體上的殼之外,分節的腿肢是它們身上的特殊結構,也被看作是早期生命難得保存下來的軟體結構。它們的身體和腿肢是分節的,有外骨骼。在外骨骼的保護之下,就會進化出支撐活動的肢體分節,所以從軀干和腿肢都能看出來,它有關節化。而很多分節的腿肢是藏在殼下的,也就是說它在化石上的表現往往是只能看到殼甲,但無法辨認出隱藏在殼甲下面的分節的腿肢。
 
當澄江動物群的研究從形態學進階到化石精細形態學之后,研究又該走向哪里?首先,是很多物種需要被拿出來重新研究,進行CT掃描、虛擬解剖,以積累更精細的基礎資料。“因為形態學是古生物的基礎,只有知道形態,才能去進一步分析它的分類、系統發育,知道生態環境、演化過程等信息,并與現生生物進行比對,才能衍生出更多的科學問題”。翟大有指出,他個人研究的是雙瓣殼,就非常依賴于動物結構的精細化處理。
 
“現在我們很多精力都集中在系統發育的研究上,就是怎么搭建生命樹,將寒武紀時代的動物和現生生物在形態學上作比較,從而完善演化鏈條。比如一個常見的對比是:我們經常提到泛甲殼類與現生的昆蟲和蝦、蟹一類,它們是個什么樣的關系、有沒有親緣關系、是不是一家?澄江動物群中的某些物種是不是一些現生泛甲殼類最早的祖先?它們又是什么時候從節肢動物的生命樹上‘分家’的?這些都是問題。”翟大有說道。
 
 
學生正在用高倍光學顯微鏡觀察標本
 
還原原始的生物多樣性
 
隨著化石精細形態學的發展,我們曾經搭建出的那個寒武紀海洋圖景會有所變化嗎?又或者,是否可以做得更細化?在地球46億年的生命中,寒武紀之前的38億年只有單細胞動物,到了5億多年前,地球僅用了四五千萬年的時間,發展出了如今動物界的原始模樣。玉溪師范學院古生物研究中心主任陳愛林指出,“澄江動物群代表了地球生物多樣性的起源”。
 
1996年開始,陳愛林就投身澄江動物群的研究,先后參與了澄江化石地自然博物館和玉溪師范學院古生物研究中心的建立。他指出,生物多樣性中很重要的一點是物種多樣性,即物種數量的增加。“其實澄江動物群的面貌就代表著物種多樣性的頂級增加。所謂頂級增加,是指在微小的、細微差別的物種層面上,物種數量是很多的。比如現在的地球上,有幾千萬種物種。當然,澄江沒有那么多,但是它代表了這些物種最初的源起。”在澄江動物群的化石中,顯示出寒武紀的生命是“從‘門’一級開始成型的,當‘門’定型之后,各物種才繼而形成之下的綱、目、科等等,這是一個自上而下的演化模式,相當于將動物的最頂級物種設計完成了”。
 
此外,生物多樣性的重要基礎是遺傳多樣性,但是遺傳多樣性涉及基因的多樣性,基因的多樣性體現在分子層面,這個在5億年前的澄江動物群化石中很難體現。“但實際上我們從宏觀結構去觀察,基因家族越多,那么最終做物種的表達就會差別比較大,也就是物種的外形、形態、結構會形成豐富的面貌。”陳愛林說。
 
接下來,就會衍生出有關生態多樣性的討論,當這些生命同時生存在寒武紀的海洋中時,競爭關系、共生關系、親屬關系也就隨之產生。順著陳愛林的思路可以想見,在澄江動物群中儼然已經形成了一個金字塔式的食物鏈,那么我們能否通過現有的材料,去搭建出這個寒武紀時代的食物鏈呢?陳愛林給出的答案是:目前還不能。
 
從現有的材料來看,奇蝦是公認的寒武紀海洋霸主。有國外數據顯示,目前已知的最大奇蝦可達到2米長左右,但這并不是一塊完整的化石,而是通過局部化石推測而來。十幾厘米的奇蝦更常見,幼蟲化石也只有幾厘米,在幾千萬年的時間進程中,奇蝦也在不斷演化。全球各處的化石都顯示出,從體量上來看,奇蝦的確是當時海洋中最大的生命體。奇蝦與現在的蝦無關,是當時一種肉食性的節肢動物。當奇蝦占據了食物鏈的頂端時,底端則是海洋中僅有的植物——藻類。
 
奇蝦與藻類之間,隔著其他各個門類的物種。“除非有具體化石顯示出物種之間的捕食關系,否則,我們很難從中推斷出到底誰和誰之間是捕食與被捕食的關系。但是,我們可以通過物種的大小,或附肢結構等軀體的具體構造來推斷,可能某個物種是相對高級的捕食者,可能在食物鏈的相對上端。”這其中就包括一個外形可愛的物種——等刺蟲。
 
從外形上看,等刺蟲形似一個頭盔,在巖石上比較好辨認,事實上,這個“頭盔”是等刺蟲軀體上厚重的外殼,因此它具備較強的防御能力。等刺蟲通常具雙瓣殼或者單一甲殼,且殼瓣兩端向外延伸各自形成前、后背刺。目前云南大學保存的澄江動物群化石中,約有1000塊等刺蟲化石,當然其中很多是局部的殘片。在一些清晰的化石上,用肉眼就可以看到它的附肢上甚至有一排細微的小刺,這說明它又具備一定的攻擊性,以及這是它主要的捕食工具。新近的研究顯示,這種擁有大附肢的等刺蟲,很可能是依賴視覺進行捕食的動物。種種佐證都可以說明,等刺蟲在當時的海洋中是捕食者的地位。
 
“它或許不是那么強壯的捕食者,也許只是一個二級捕食者。我們說奇蝦高級,但奇蝦也有濾食的,就像藍鯨一樣,我們曾經一直以為鯨魚是捕食性的或者是食物鏈上比較高、消費層級比較高的海洋生物,但其實它不是吃那種比較大的魚,而是濾食性的。奇蝦也有這種特點,濾食微小生物或者微生物。因此可以看出,當時的海洋生態應該是復雜且較發達的。”翟大有補充說道。

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