最惊人的发现：所有动物的祖先曾站在同一起跑线

最惊人的发现：所有动物的祖先曾站在同一起跑线 相关链接： HYPERLINK "http://3927.cn/science/science/article/jinhua2.htm" 动物大爆炸——向进化论挑战的澄江化石群 摘自：中国国家地理杂志   　 多么神奇，5.3亿年前在“寒武纪生命大爆发”的瞬间，现代生物所有“门”一级的早期雏形“大爆炸” 般地在地球上出现了，其证据就是在中国云南省澄江县发现的数以万计的化石。 貌不惊人的小山包下埋藏着 　　震惊世界的生命大爆发的秘密 　　暗夜里，我们的汽车行进在云南澄江一个深不可测的湖泊岸边。新月升起．又落下了，在西边的 天空与山峦交界处留下一丝诡异的亮光。黑夜淹没了四周平淡无奇的山峦和村舍，只有抚仙湖水冲刷湖岸的沙滩，传来哗哗的声响。那感觉是奇怪的，漆黑一片的湖泊传来的声音仿佛穿越了百万年的时空，上人想到我们周边的山峦，5亿多年前曾经是一片海洋——藏匿着生命史上一个巨大秘密的寒武纪的海洋。 　　在漫长的沉寂之后，澄江的这片貌不惊人的山包，如今被古生物学家视为一块圣地，一个地球生命史上的惊人秘密逐渐被解开：在距今5.3亿年前，这里的浅海上演了一个重大无比的事件——生命 经历了一次革命性的大规模演化，绝大部分仅次 于“界”以下的最大生物分类单位——“门”一 级动物突然之间出现在地球上。“嘣”地一下，沉 寂了40亿年的地球突然间热闹起来。这颗蓝色的 星球终于有了生动的色彩。 　　“一瞬间”（这个过程实际上是200万年左右，但 相对于35亿年的地球生物史，200万年，就好像是一 天中的l分种），众多从未在地球上露过面的动物 一下子出现在海洋里，古生物学界甚至用“爆发” 来形容这种突然性；它们的形态各异，从只有几毫米的微型动物，到长达2术、长者带柄巨眼和恐怖粗爪的大型怪物，几乎涵盖了所有的现生动物门类，也就是说，如今地球上所有一切天上飞的、地下跑的、海里游的动物的祖先，差不多都在那个时代出现了。包括人类在内的很多多细胞动物很可能就是从这里起跑，开始了各自的演化历史。 　　国际古生物学界振奋了！广受尊敬的德国著名古生物学家阿·塞拉赫称这一重大发现“就像是来自天外的信息”。它证实了大爆发式的演化事件在5.3亿年前确实曾经发生了。 　　　　科学家为解开生命诞生的秘密， 　　　　再次齐聚澄江 　　自从1985年中科院南京地质古生物研究所（以 下简称南古所）张文堂、侯先光教授发表了在澄江帽天山出土的娜罗虫－－曾在加拿大伯吉斯动物 群（距今5.15亿年前）出现的古老节肢动物化石 ——揭开澄江生物群研究史上重要一页以来，南 古所的陈均远、侯先光等科学家陆续做了大规模 的标本挖掘工作，并发表了一批研究结果，使这一发现至今备受世人瞩目。1995年，世界各国的科学家会聚中国，第一次以“寒武纪大爆发”为议题进行了国际性的学术大讨论，当时，以强硬激进著称的塞拉赫教授为此特意谱写一曲诙谐的《寒武纪大爆发之歌》，以纪念他们曾经因寒武纪生物群而齐聚一堂的美好时刻。 　　1999年6月20日，来自中国和世界各地的科学家们再次来到帽天山这个寒武纪的圣地，他们中有古生物学家、地质学家，有发育生物学和分子生物学的权威、细胞生物学专家、海洋生物学者，以及科普作家。这次会议的发起人和主持者陈均远先生说：“没有一个课题和讨论会可以将这么多从事不同学科领域的科学家吸引到一起，尽管研究的对象相距几亿年，从死了的到活着的，从微小的分子到完整的生命个体，但我们走到一起来了，为了共同解开生命诞生的秘密。” 　　这是个绝好的机会，久已对寒武纪大爆发颇感兴趣的我也趁机来到了澄江。 　　　　大风暴造成的泥流事件使5亿 　　　　多年前的软躯体奇迹般地保存下来 　　在昆明，许多孩子床底下的收藏品中，你会找到侏罗纪的恐龙、泥盆纪的鱼、志留纪的珊瑚石燕和寒武纪的三叶虫。孩子们会熟练地用酸洗去时间的沉淀，让凝固在石头中的动物和植物显露出来。西郊一所学校的孩子几乎每人手里都有寒武纪海洋里的动物化石，因为他们的学校就建在5亿多年前的寒武纪的海底。 　　云贵高原是是一片神秘的土地，对于研究化石的古生物学家具有不可抗拒的吸引力。以陈均远为首的课题组，在离澄江60公里的晋宁三家村，建立了“早期生命研究中心”，决心在此安营扎寨，将澄江生物群的研究长期进行下去。 　　在研究中心的标本室里，我见到了形态各异的化石标本。以或卷曲或斜躺或平直姿势埋藏的娜罗虫化石，完好地保存着它们的软躯体构造，甚至连肠道中充满的食物也清晰可见，显示其在临死之前还曾经饱餐一顿。具有网状骨片的微网虫，每个网眼中有一个圆管构造，可能具有感光作用。属于叶足类的微网虫，即使活着时保持站立的姿势就已经很不容易，有的竟然可以在死后仍然保持立姿，真是令人匪夷所思；那具有纤细的触手、细腻的体表和环肌的水母；还有成群埋藏在一起的帽天山虫、海口虫，让人想到它们一定是在一次聚会中突遇灾难。 　　令人叹为观止的是，这些精美的化石，95％以上是世界其它地方难得一见的带有软躯体构造的化石。5亿多年前生物的软躯体构造居然能成为化石而保存在岩层中，这是澄江化石最为独特之处。 　　在一般。情况下，动物死后若无特殊的埋葬条件很快就会腐烂，硬壳在海床上停留若干年后被沉积物掩埋。它们中只有极少数在非常特殊的情况下才会岩化成为化石保存下来，而且多是不完整的残片，完整个体的保存就是奇迹。在这样的情况下，软躯体动物更不容易留下任何化石。它们能够保存下来是很偶然地得益于大风暴造成的泥流事件。暴风雨之后，海岸上的泥流会沿着倾斜的海底斜坡流动，泥流所经之处吞没了沿途的生物，造成大规模集体死亡事件。经过岁月的压缩，它们变成薄薄的化石，奇迹般被珍藏在石头制成的书页中。50万年中，一次次的泥流事件，一次次的风暴沉积，在云南中部的很多地方留下了厚厚的沉积页岩。在今天昆明的附近地区，从东到西，包括马龙、澄江、长虫山、岷山、海口、武定2000多平方公里的广大地域上，都分布有出露地表的寒武纪沉积页岩。目前科学家所触及的还主要是群山中的一隅——帽天山。 　动物多样性的基本体制在 　　　　寒武纪早期就已经建立了 　　从1990年以来，以陈均远为主的跨国科学研究小组，在帽天山等化石产地进行了多次发掘，收获的化石总数已达数万枚。他们在那些橙黄色的岩层里，几乎找到了所有现生动物的祖先的踪迹，另外还包括许多早已绝灭的生物种类。从这些令人眼花缭乱的化石记录中，陈均远发现，“现在地球上热闹非凡的上千万种生物归纳起来总共才35 个门，而我们在澄江化石中已经发现了20多个门一级系统（还不包括一些现在已经绝灭了的门一级动物），而且还在不断发现新的动物门。这说明了一个关键性问题，在寒武纪早期，动物多样性的基本体制就已经建立了。” 　　一个门一级系统里的动物，大致都有相同的内部构造，如水母是圆的，海星有五个角对称，鱼、恐龙和人类都只有一根脊椎。陈均远认为，“寒武纪大爆发是这些相同构造产生的起点，一直延续下来，为寒武纪与现在的动物之间建立了联系。因此，发育生物学和演化生物学、历史生物学与现代生物学、宏观生物学与微观生物学，都因这些化石记录的科学意义，而在这里找到了能够沟通的交汇点。” 　　帽天山看去完全是个平淡无奇的小山包，象一顶圆帽如在那里。公路从发现奇虾的地层旁穿过，来来往往的行人谁也不会向这个普通的黄色土堆多看一眼。科学家们来到这里却个个显得很兴奋。在黄橙色的倾斜岩层旁，我看着每一位低头敲打石头的科学家，他们中的一些是坐在实验室里搞胚胎发育或分子生物学的专家，我想对他们来说在野外寻找石化的生命记录恐怕还是第一次。台湾清华大学的分子生学物家李家维先生说：“别看分子生物学家没有受过古生物学的训练，但对于判断不同地层中发现的化石动物之间的亲缘关系，分子生物学家有他们的独到之处。”这也许就是古生物学家乐于见到不同学科的科学家进到这个行列里来的原因。 　　旧金山大学的海洋生物学家钱锟教授是位在美任教多年的华裔科学家，一派谦和的长者风度，非常易于接近。没过多久我就可以像老熟人一样感觉轻松地同他讨论问题了。他认为，寒武纪大爆发的惊人之处就在于Disparity，意思是“不一样”，或者是“相异的和有差距的”。各种各样、毫不相关的动物门类在寒武纪地层里几乎都有，种与种之间在外型上有巨大的差别；而且，不同门类的动物在其后的漫长地质年代里，演化的水平也是极为不同。他找到了一块页岩，递给我：“你看上面这个带柄的红红的小点，叫做海豆芽，我们现在海洋里见到的海豆芽还是这个样，从古到今一点没变。它靠过滤海里的微小生物生存。它不吃人家，人家也不吃它，好象很清高的。”然而，有一些动物的变化则大得惊人，如脊索动物的始祖——云南虫，它向着不同的方向演化出了鱼类、两栖类、爬行类（包括后来灭绝了的恐龙）、鸟类及哺乳类（包括人）。 　　从同一地点起跑的生物，有的走过几亿年还是老样子，有的则演化出差异巨大的不同种类的生物，同样的时间对它们起了迥然不同的作用，这与达尔文的均变进化理论是何等地冲突！ 　　在以达尔文为代表的进化论者看来，生命的演化是渐变的结果。多细胞动物应该由少数彼此形态接近的物种所组成，不断演化的结果，物种之间的形态差异越来越大，多种生物门类的分野在演化的中后期才逐渐显现出来。但是寒武纪化石突然出现而且相互之间又千差万别的事实又将作何解释呢？达尔文时代就已被发现的化石记录曾使他深感困惑。 在当时，人们还不知道比寒武纪更早（前寒武纪）的地层中也有化石。 　　　　寒武纪大爆发之前到底发生了什么？ 　　　　到前寨武纪地层中去看看 　　最近几十年来，开始有人在前寒武纪的地层中（有些只比寒武纪稍早一点）发现了越来越多的化石。这些发现使问题变得更加不可思议，因为所找到的几乎都是简单的单细胞生物化石，比较复杂的多细胞动物开始出现的年代事实上已非常接近寒武纪（5亿6千多万年前），而且这些化石开非实体，许多只是生物体的印痕而已。如著名的澳大利亚埃迪卡拉生物群， 是一些大型的多细胞生物所留下来的印模化石。有人认为它们是多细胞动 物留下来的，而塞拉赫等人认为，“我们看不到它们的口、腿、消化道和肛门等器官，没有什么可以表明它们是动物”。最近有人提出埃迪卡拉生物群代表一类与寒武纪以后的多细胞动物毫无关联的动物类群，也有人认为它们可能完全是由低等的真菌类生物所组成的。总之，埃迪上拉生物群在寒武纪后快速消失，与续寒武纪生物群之间存在明显的不连续性。 　　有一个值得一提的新发现是，1997－1998年陈均远与李家维在贵州省瓮安县5.8亿年前的前寒武纪地层中，发现了大量微型多细胞动物及其胚胎实体化石，似乎为前寒武纪动物尚不明朗的知识暗区点燃了一盏灯。但是，瓮安动物群与澄江动物群之间的关系还有待进一步研究。 　　寒武纪大爆发是否曾经发生过？到日前为止 尚不成为问题。现在的问题是，在大爆发前，地球上发生了什么？是什么导致了这次疯狂的进化？一些科学家认为是海水中一次化学物质的改变激 发了这场寒武纪的爆发。还有一些人认为是一次 遗传的变革促成了它的开始。众说纷纭。 　　在距澄江县几十公里的晋宁县梅树村，有一个界分寒武纪与前寒武纪的地质剖面，在这里走很短的距离就能从前寒武纪进入寒武纪。短短二三百米之内，你从空空如也的前寒武纪一边，逐渐在岩层中看到越来越多、越来越密的小壳化石。开始是两三个，紧接着是密密麻麻、数不胜数的软舌螺、单板类、腹足类等各式各样的小壳类化石。接近寒武纪标志的地方，大块的岩面上有无数弯弯曲曲的遗迹化石，那是软体动物在海底吃藻类时留下的痕迹。 　　从小壳动物群到澄江动物群短短不到200万年的时间，是寒武纪大爆发最关键的一幕，这是动物多样性基本体制的伟大诞辰。 　　带壳动物的出现为寒武纪大爆发揭开了序幕。此后动物的发展迅速升级：体表长出外壳和刺状的骨片，许多动物开始有了腿，动物生活开始有了多样性，具备了攻击或防御能力。动物间开始互相捕杀。 　奇虾——强大然而灭绝了， 　　　　一如陆地上曾盛极一时的恐龙 　　5.3亿年前的海洋中，最凶猛的捕食者莫过于奇虾了。 　　它有一对带柄的巨眼，一对分节的用于快速捕捉猎物的巨形前肢，美丽的大尾扇和一对长长的尾叉。它虽不善于行走，但能快速游泳。25公分直径的巨口可掠食当时任何大型的生物，口中有环状排列的外齿，对那些有矿化外甲保护的动物构成了重大威胁。这是一种攻击能力很强的食肉动物，它的个体最大可达2米以上，而当时其它大多数动物平均只有几毫米到几厘米。 　　人们了解奇虾用了整整一个世纪的时间。100 多年前，奇虾首次在加拿大被发现。但发现的是它抓食物的前臂，这只前臂长得就跟虾一模一样，只是让人觉得少了一个头，像个奇怪的虾。在英国皇家科学院的年会上，英国科学院院士Whiteaves炫耀了他的发现。但遗憾的是，他把奇虾前臂当作了它的身体。这个误解一直延续到1979年，它的圆环状的口器还被当作水母，身体的毛被当作海绵骨针，身体的其它部分则被当作了不同的生物体。 80年代，一位科学家在伯吉斯收藏品里找到一块较完整的化石，发现这个“虾”不过是长在一个动物体前面的前肢，这才解决了100年来的困惑。 　　最完整的奇虾化石出现在帽天山的页岩中。 1992年帽天山北坡修筑公路，推土机推出了一个巨大的断面，给了奇虾化石被发现的机会。第一块标本在发现之初只有前附肢的末端露了出来。由于好奇心的驱使，南古所的周桂琴在野外当场就修理起来。当完整的一对前附肢和头部显露之际，她不禁兴奋得大喊起来。 　　第一块奇虾标本的现形，又引出了第三块完整奇虾的问世。其实，这“第三块”奇虾化石早在1990 年就已被南古所的朱茂炎采集回来，但当初它怪异的形体让人迷惑，因而被冷落在办公室的托盘中将近2年。随着标本的修复，一个完整的凶猛的猎食者形象出现在人们眼前。 　　达尔文的缓慢的、渐进式的演化观同样无法解释，为什么大爆发之后，奇虾一出现就有那么大，那么凶猛。 　　奇虾的食谱可能包括其它的食肉动物。它那么大的身体，那么大的嘴巴，还有那样一对大的捕捉器官，可以捕食当时最大的活物，绝对不会只吃处于食物链最低位置的生物，因它爪太粗，抓取微小食物反而不是那么容易。陈均远先生说：“在奇虾的食物结构中，肯定有一类体形很大的生物，像它们一样处于食物链比较高的位置，也许是蠕形的曳腮类，只是我们至今没有找到它们的藏身之所。但我们找到了曳腮类留下的痕迹——页岩中拐弯的肠道和粗粗的粪球化石。即使经过5亿多年岩层的挤压，有的粪球化石直径达仍45厘米，其中充填着成千上万个软舌螺和金臂虫的残骸。粪便的主人，肯定是比人类还大的生物。它比不上奇虾凶猛，很可能是奇虾一类猎食者的口中之物。” 　　没有人会认为，在当时的海洋中，奇虾不是“适者”。它可以称得上是海洋中的 “巨无霸”，处在食物链的顶端，能够轻而易举地猎获足够的食物，却没有其它生物可以威胁它的生存。但是，就象在陆地上曾经占统治地位的的恐龙一样，奇虾也早已绝灭了。究竟它是在什么时候，因为什么永远从地球上消失的？这是又一个没有解开的谜。 　　　　我们终于找到了脊椎动物的起点： 　　　　人类是由海口虫逐步进化而来的 　　在临湖的一个会场内，会议在热烈而紧张地进行着。科学家们像入迷的学生在倾听着一个又一个。会议不时地活跃起来，每一个报告之后的10分钟讨论时间，科学家们争先恐后地提问，这是科学火花产生的时刻。 　　这次会议的另一个引人注目之处，是陈均远宣布了他们最新的研究成果：他们发现了海口虫，是迄今为止帽天山化石群中最重要的发现，也是人类进化的起点。著名文昌鱼专家、加州大学的 Holland教授说：“海口虫的发现，是人类重塑地球生命历史的一项惊人成就。海口虫提供了一幅清晰而漂亮的寒武纪大爆发最早期的、不容置疑的脊索动物的快照。这幅快照注定将在今后古生物学和生物学教科书中成为人们熟悉的一幅图片。” 　　海口虫有一个丑丑的形状像条文昌鱼一样的身体，长不过几厘米，在危机四伏的海洋中，它显得太弱小。我们不知道它处在食物链的哪一个环节？它演化的潜能何在？是怎么逃过奇虾或者其它食肉动物的追杀，逃过地球上无数次生命大劫难而存活下来，并逐渐演化出鱼类、两栖类、爬行类、鸟类、哺乳类（含人类）的？ 　　在海口虫之前，澄江发现的最重要的动物门 ——脊索动物门里只有云南虫一个单种属。作为所有脊索和脊椎动物的共同祖先，它不高贵，也不威风，以滤食方式生活，借着肌肉收缩在海洋里呈侧向波浪形游动，就像今天的小水蛇。它最初被发现的时候被归到分类位置不明的生物类别，因为找不到谁与它有关系。1995年陈均远先生积累了大量标本后，才发现了它的脊索——一群有弹性的细胞连成的支柱——从头部一直延伸到身体的后端。这在当时是一个惊人的发现使得脊索动物在地球上出现的历史由5.15亿年前推到5.3亿年。 　　海口虫的被发现是在1999年4月。在昆明海口耳材村后的山坡上，陈均远的学生黄迪颖在一个月的时间内就发现了300多条类似云南虫的虫子，一块巴掌大的石头上就有6条。当它们一只只被清理出来放到显微镜下的时候，就发现它们的外观与云南虫有很大的不同。解剖学的细节表明，它们有了明确的头，上面长着眼睛；有心脏，有腹背动脉，口腔前端有口须，咽腔内有细小的齿状构造，肛门后端还有分化的尾，腮弓长出了腮丝，那是为了增大与水的接触面积而演化出来的，这会使氧气的交换更有效率，活动能力得到加强。更重要的是它的神经索前端膨大出一个三分脑。这一解剖学的重要发现说明脊椎动物在开始产生脊椎骨之前，已历经了漫长的演化过程。以海口虫为代表的三分脑的出现是这一演化最重要的起点。因而海口虫是包括人类在内的脊椎动物演化的起点。 　　　　我们终于找到了脊椎动物的起点。 　　李家维先生认为，最重要的是海口虫的头化程度高了很多。“头化”，在生物演化史的很多阶段都会出现，把神经的主要构造，把重要的感觉器官放到身体前端，以提高身体对环境的敏锐度，这对生物的生存有很多好处，这就是头化的趋势。问题在于，脊索动物这一条演化线上的动物，头化趋势是什么时候开始出现的？我们在海口虫身上找到了。 　　在今天的海洋里，有一种生物能引起我们古老的回忆，那就是我们的远亲文昌鱼。现代生物学家研究我们这个大家族的起源，大都从文昌鱼入手。现生的文昌鱼是一种很原始的小型脊索动物，只分布在世界上很少的地方，如中国的青岛、厦门和美国的佛罗里达。它们没有头化的现象，脑子、眼睛都处在很原始的状态下，用生物学的手段才能鉴别出它有脑子，有类似眼睛的构造。它们从云南虫的一支分化下来后就停止了演化，在温暖的浅海里找到了它们永久的栖身之所。而云南虫的另一支 ——海口虫经过亿万年的演化，告别了鳍和鳃丝，有了自由呼吸的肺和自由行走的双腿，发展出了高级智慧。 　　我们的脊索动物祖先——小小的海口虫，在游弋着巨无霸奇虾，还有仅次于奇虾的巨大的曳鳃类以及成千上万的食肉性节肢动物的海洋里生存下来并不停地演化至最终产生出人类，在多大程度上取决于机遇？很显然，看上去海口虫在当时并不具备生存优势，没有迹象表明它们将存活下去并且蓬勃兴旺地发展，而有些硕大有力的猎食者却面临灭绝。也许，致力于开发精确敏锐的器官而不是扩展身体的尺寸，使得它们获得了超越的潜能？ 　　看着这条几厘米长的虫子，我在想，如果海口虫未曾在寒武纪的海洋里有幸躲过虎视眈眈的掠食者；如果，海口虫演化的链条上断裂了任何一环，今天的地球会是个什么样子？ 　　有无数的可能性，但没有一个明确答案。总之绝不会是今天这个样子，也不会有我们人类。