新發(fā)現(xiàn)的“海綿”，勾起一段早期演化中“消失的歲月”

海綿動物通常被認(rèn)為是動物界中最原始的類群，分子鐘研究推測其起源時間在距今約7億年前，然而寒武紀(jì)之前的海綿化石極為稀少并具有爭議。近期，中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所袁訓(xùn)來研究員帶領(lǐng)的早期生命研究國際合作團(tuán)隊，在湖北宜昌距今約5.5億年前的石板灘生物群中發(fā)現(xiàn)了一種埃迪卡拉紀(jì)晚期的冠群海綿動物，填補(bǔ)了海綿動物早期演化的重要環(huán)節(jié)。該成果于2024年6月5日在線發(fā)表于英國《自然》雜志上。

化石記錄有1.6億年空缺

海綿動物常被認(rèn)為是最基礎(chǔ)和最原始的后生動物，對地球早期海綿化石的尋找和研究能為我們探索動物起源和早期演化模式提供關(guān)鍵證據(jù)?，F(xiàn)代分子生物學(xué)研究和綜合分子鐘推測表明，海綿起源和分異時間應(yīng)該在距今約7億年前。然而，確切的海綿化石記錄直到距今約5.39億年開始的寒武紀(jì)才大量出現(xiàn)，寒武紀(jì)之前的海綿化石記錄十分稀少且大多存在爭議。海綿化石記錄存在長達(dá)1.6億年的空缺，這一段撲朔迷離的歷史被稱為海綿早期演化中“消失的歲月”。

中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所萬斌副研究員介紹，對于前寒武紀(jì)海綿化石記錄缺失的解釋，主要有兩種假說：第一，由于大多數(shù)現(xiàn)生海綿具有硅質(zhì)或鈣質(zhì)骨針，因此研究者假設(shè)海綿的共同祖先具有礦化骨針，而寒武紀(jì)之前的埃迪卡拉紀(jì)（距今約6.35至5.39億年）海綿化石的缺失可能是由于當(dāng)時的環(huán)境不利于骨針的保存；第二，海綿動物的共同祖先不具有礦化骨針，在分化出主要類群后，各類群才獨(dú)立演化出礦化骨針，因此前寒武紀(jì)的早期海綿動物沒有骨針，保存潛力相對較小，也難以從化石記錄中識別出來。

新發(fā)現(xiàn)一類海綿動物化石

近年來，袁訓(xùn)來團(tuán)隊對石板灘生物群進(jìn)行了大規(guī)模的化石挖掘，新發(fā)現(xiàn)了一類大型的海綿動物化石，命名為“螺旋網(wǎng)格海綿”。螺旋網(wǎng)格海綿的發(fā)現(xiàn)填補(bǔ)了海綿動物早期演化的空缺，提供了早期海綿動物的關(guān)鍵化石證據(jù)。該成果由中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所、英國劍橋大學(xué)、美國弗吉尼亞理工大學(xué)的科學(xué)家組成的國際合作團(tuán)隊共同完成。

螺旋網(wǎng)格海綿化石的發(fā)現(xiàn)，是研究團(tuán)隊對石板灘生物群進(jìn)行長期的艱苦挖掘和系統(tǒng)研究的又一重要成果。石板灘生物群產(chǎn)出層段的薄層灰?guī)r中不僅保存有豐富多樣的埃迪卡拉型化石，也保存了大量的動物遺跡化石和其他動物的實體化石。如最早的動物足跡化石，發(fā)表在2018年的《科學(xué)進(jìn)展》雜志上；最早的具有運(yùn)動能力的兩側(cè)對稱動物夷陵蟲，發(fā)表在2019年的《自然》雜志上。

早期海綿可能沒有生物礦化骨針

袁訓(xùn)來介紹，此次新發(fā)現(xiàn)的螺旋網(wǎng)格海綿，具有與六放海綿類似的形態(tài)特征：如輻射對稱的錐形身體、底部的盤狀固著結(jié)構(gòu)、可能的中央腔和推測的出水孔。此外，螺旋網(wǎng)格海綿的表面由規(guī)則的方格組成，這些方格可以被細(xì)分為四個形態(tài)相同的次級方格，次級方格又可以進(jìn)一步被細(xì)分。這種特殊的方格結(jié)構(gòu)在一些典型的古生代六放海綿中也存在。它們形態(tài)和結(jié)構(gòu)非常類似，不同之處在于螺旋網(wǎng)格海綿的網(wǎng)格是由有機(jī)質(zhì)組成，而在古生代海綿化石上則是由礦化骨針組成。此次研究認(rèn)為，螺旋網(wǎng)格海綿化石可能代表了一種不具有礦化骨針的早期海綿動物。為了進(jìn)一步檢驗這一解釋，研究團(tuán)隊構(gòu)建了一個包含各種現(xiàn)生動物和化石動物的形態(tài)數(shù)據(jù)矩陣，并進(jìn)行了嚴(yán)格的系統(tǒng)發(fā)育分析。結(jié)果顯示，螺旋網(wǎng)格海綿化石屬于冠群海綿，并且與六放海綿親緣關(guān)系接近。

螺旋網(wǎng)格海綿化石的發(fā)現(xiàn)，表明前寒武紀(jì)確實存在非生物礦化的海綿動物。這一發(fā)現(xiàn)提示研究人員不能完全以現(xiàn)生海綿作為藍(lán)本去尋找前寒武紀(jì)海綿化石，因為早期海綿可能沒有生物礦化骨針，并且可能不具備現(xiàn)生海綿的所有特征。該發(fā)現(xiàn)也表明，在六放海綿早期演化歷程中，可能存在一個以有機(jī)物構(gòu)建網(wǎng)狀骨架的階段，直到進(jìn)入寒武紀(jì)以后才獲得生物礦化能力，把礦物添加到已有的有機(jī)質(zhì)骨架之上，形成復(fù)合的礦化骨針組成的骨架。

前寒武紀(jì)-寒武紀(jì)界線前后的生物群落面貌曾被認(rèn)為是天差地別。埃迪卡拉紀(jì)是形態(tài)奇異且親緣關(guān)系未知的埃迪卡拉生物群主宰的時代；而到了寒武紀(jì)，各個現(xiàn)生動物門類接踵而出，人們熟悉的現(xiàn)代海洋生態(tài)系統(tǒng)才得以建立。螺旋網(wǎng)格海綿的發(fā)現(xiàn)，連接了埃迪卡拉生物群和寒武紀(jì)生物群，也表明埃迪卡拉生物群也許和現(xiàn)生動物之間有某種直接的演化關(guān)系。一位業(yè)內(nèi)專家評論：螺旋網(wǎng)格海綿可能是理解動物演化的“羅塞塔石碑”（古埃及托勒密王朝著名石碑，解讀出已經(jīng)失傳千余年的埃及象形文之意義與結(jié)構(gòu)，而成為研究古埃及歷史的重要里程碑）。

記者/陶韜 通訊員/盛捷