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消失的歲月終于被挖掘? 科學(xué)家揭秘5.5億年前的“活化石”

中國科普博覽
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中國科協(xié)、中科院攜手“互聯(lián)網(wǎng)+科普”平臺,深耕科普內(nèi)容創(chuàng)作
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出品:科普中國

作者:李金娟(早稻田大學(xué))

監(jiān)制:中國科普博覽

編者按:為拓展認(rèn)知邊界,科普中國前沿科技項目推出“未知之境”系列文章,縱覽深空、深地、深海等領(lǐng)域突破極限的探索成果。讓我們一起走進(jìn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)之旅,認(rèn)識令人驚嘆的世界。

在生命演化的漫長歷程中,海綿動物的演化過程一直是一個引人入勝卻難解的謎題。海綿動物被認(rèn)為是地球上最早出現(xiàn)的多細(xì)胞動物之一,是連接單細(xì)胞生物和復(fù)雜動物的重要橋梁。然而,關(guān)于海綿動物的起源和早期演化,科學(xué)界一直存在巨大的認(rèn)知空白。

直到最近,中國科學(xué)家取得了一項重大突破,為解開這個謎題提供了關(guān)鍵線索。中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所袁訓(xùn)來研究員領(lǐng)導(dǎo)的國際合作團(tuán)隊,在湖北宜昌發(fā)現(xiàn)了一種距今約5.5億年的海綿化石,它被命名為“螺旋網(wǎng)格海綿”。

這一發(fā)現(xiàn)不僅填補(bǔ)了海綿動物早期演化的重要空白,更為我們重新審視整個生命演化歷程提供了全新視角。

螺旋網(wǎng)格海綿復(fù)原圖

(圖片來源:參考文獻(xiàn)2)

海綿動物:生命演化樹上的活化石

海綿動物,這個看似簡單卻又神秘的生物群體,在動物界中占據(jù)著獨(dú)特的地位。

海綿動物的身體結(jié)構(gòu)簡單,沒有明顯的器官系統(tǒng),卻擁有令人驚嘆的生存能力。它們的身體就像一個巨大的過濾器,通過不斷吸入、排出水流來獲取養(yǎng)分和氧氣。這種簡單而高效的生存方式,使得海綿動物在地球上繁衍生息了數(shù)億年之久。

在現(xiàn)代海洋中,海綿動物的種類繁多,形態(tài)各異。有些海綿像精致的花瓶,有些則像巨大的桶或扇子。它們的顏色也十分豐富,應(yīng)有盡有。這些多姿多彩的海綿,不僅為海底世界增添了絢麗的色彩,也為海洋生態(tài)系統(tǒng)的平衡做出了重要貢獻(xiàn)。

形形色色的海綿動物

(圖片來源:維基百科)

難解謎題:海綿動物“消失的歲月”

盡管現(xiàn)代海綿動物如此普遍,但在地質(zhì)歷史中,它們的蹤跡卻長期處于“失蹤”狀態(tài)。這個現(xiàn)象讓科學(xué)家們困惑不已,猶如一個難解的謎題。

想象一下,如果你是一位古生物學(xué)家,正在尋找海綿動物的祖先。你興致勃勃地挖掘各個地質(zhì)年代的巖層,卻發(fā)現(xiàn)在距今約5.39億年的寒武紀(jì)之前,海綿動物的化石記錄幾乎是一片空白。這就好比一本厚重的家族史,前幾章的頁面全都不翼而飛了。

科學(xué)家們通過分子生物學(xué)研究和分子鐘推測,認(rèn)為海綿動物應(yīng)該起源于大約7億年前。然而,在實際的化石記錄中,確鑿的海綿化石直到寒武紀(jì)才大量出現(xiàn)。這意味著海綿動物的化石記錄存在長達(dá)1.6億年的巨大空白,這段時期被科學(xué)家們形象地稱為海綿早期演化中“消失的歲月”。

為什么會出現(xiàn)這樣的情況呢?科學(xué)家們提出了兩種主要的假說:

第一種假說認(rèn)為,海綿動物的共同祖先可能已經(jīng)具有礦化的骨針(海綿的支撐結(jié)構(gòu))。但是,寒武紀(jì)之前的環(huán)境可能不利于這些骨針的保存,導(dǎo)致我們難以找到它們的化石。

第二種假說則認(rèn)為,早期的海綿動物可能根本就沒有礦化的骨針,而是由軟體組織構(gòu)成。這使得它們在成為化石的過程中更容易被破壞,也更難被我們識別出來。這就像是用水在巖石上作畫,很快就會蒸發(fā)消失,難以留下長久的痕跡。

這個謎題一直困擾著科學(xué)家們,直到最近的這項研究,為解開這個謎題提供了關(guān)鍵的線索。

現(xiàn)代石灰海綿綱海綿動物的各型骨針

(圖片來源:維基百科)

螺旋網(wǎng)格海綿:揭開海綿動物演化之謎的“羅塞塔石碑”

在湖北宜昌,距今約5.5億年前的石板灘生物群中,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一件令人興奮的新化石。該化石被命名為“螺旋網(wǎng)格海綿”,它的發(fā)現(xiàn)猶如在茫茫歷史長河中找到了一個連接點,填補(bǔ)了海綿動物早期演化的空白。

螺旋網(wǎng)格海綿有著令人驚嘆的形態(tài)特征,它的身體呈現(xiàn)出優(yōu)雅的錐形,底部有一個盤狀的結(jié)構(gòu),可能用來在海底固定。最引人注目的是它的表面結(jié)構(gòu)由規(guī)則的方格組成,這些方格又可以被細(xì)分成更小的方格,形成一種復(fù)雜而有序的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

螺旋網(wǎng)格海綿化石照片(a)與激光掃描高程圖(b)

(圖片來源:參考文獻(xiàn)1)

這種結(jié)構(gòu)讓人聯(lián)想到現(xiàn)代的六放海綿,但有一個關(guān)鍵的區(qū)別:螺旋網(wǎng)格海綿的網(wǎng)格是由有機(jī)質(zhì)組成的,而不是礦化的骨針。

這個發(fā)現(xiàn)為我們提供了一個全新的視角來看待海綿動物的早期演化。它告訴我們,在遙遠(yuǎn)的埃迪卡拉紀(jì)晚期,已經(jīng)存在不具有礦化骨針的海綿動物。這就好比我們發(fā)現(xiàn)了一種“原始版本”的海綿,它還沒有發(fā)展出堅硬的骨針,但已經(jīng)具備了海綿動物的基本特征。

科學(xué)家們對螺旋網(wǎng)格海綿進(jìn)行了詳細(xì)的研究和分析。他們將此化石與各種現(xiàn)生動物和其他化石進(jìn)行比較,構(gòu)建了一個復(fù)雜的數(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)格海綿屬于冠群海綿,并且與六放海綿的親緣關(guān)系較近。該發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證實了螺旋網(wǎng)格海綿在海綿動物演化歷程中的重要地位。

某種六放海綿綱動物,該綱動物具有硅質(zhì)骨針,有些骨針能聚合成網(wǎng)狀的骨架,骨骼中無海綿質(zhì)。因此本綱又稱為玻璃海綿。

(圖片來源:維基百科)

螺旋網(wǎng)格海綿的發(fā)現(xiàn),為我們理解動物的早期演化提供了關(guān)鍵的信息。它告訴我們,在尋找前寒武紀(jì)的海綿化石時,我們不能僅僅以現(xiàn)代海綿為標(biāo)準(zhǔn)。早期的海綿可能沒有礦化的骨針,也可能缺少我們熟知的某些特征。這個發(fā)現(xiàn)拓寬了我們的視野,為未來的研究指明了新的方向。

海綿動物與生命大爆發(fā):重新審視生命演化的歷程

螺旋網(wǎng)格海綿的發(fā)現(xiàn),同時也為我們審視整個生命演化的歷程提供了全新的視角。長期以來,科學(xué)家們認(rèn)為前寒武紀(jì)和寒武紀(jì)的生物群落有著天壤之別。

埃迪卡拉紀(jì)被認(rèn)為是形態(tài)奇特、親緣關(guān)系不明的生物主導(dǎo)的時代。而到了寒武紀(jì),各種現(xiàn)代動物門類突然大量出現(xiàn),這就是著名的“寒武紀(jì)大爆發(fā)”。這種觀點就像是在描述兩個完全不同的世界:一個是充滿神秘生物的遠(yuǎn)古世界,另一個則是我們熟悉的現(xiàn)代海洋生態(tài)系統(tǒng)的雛形。

然而,螺旋網(wǎng)格海綿的發(fā)現(xiàn),為這兩個看似割裂的世界之間搭建了一座橋梁。它告訴我們,在埃迪卡拉紀(jì)晚期,已經(jīng)存在著與現(xiàn)代動物有直接演化關(guān)系的生物。也就是說,古老的家族史中,一張連接古老祖先和現(xiàn)代后代的關(guān)鍵照片被找到了。

這個發(fā)現(xiàn)也讓我們重新思考“寒武紀(jì)大爆發(fā)”的本質(zhì)。也許,生命的演化并不是突然的“爆發(fā)”,而是一個漸進(jìn)的過程。在寒武紀(jì)之前,各種動物門類可能已經(jīng)開始分化,只是它們還沒有發(fā)展出堅硬的外殼或骨骼,因此難以在化石記錄中保存下來。

這項新發(fā)現(xiàn)也給我們帶來了更多的問題:在螺旋網(wǎng)格海綿之前,是否還存在更早的海綿動物?海綿動物的祖先們?nèi)绾潍@得礦化骨針的能力?這些問題的答案,可能隱藏在古老的巖層中,等待著未來的科學(xué)家去發(fā)現(xiàn)。

螺旋網(wǎng)格海綿和其他動物之間的演化關(guān)系

(圖片來源:參考文獻(xiàn)2)

結(jié)語

海綿動物的演化歷程,猶如一部跨越數(shù)億年的史詩。從最初的軟體結(jié)構(gòu),到后來發(fā)展出復(fù)雜的礦化骨針,每一步都記錄著生命演化的奧秘。螺旋網(wǎng)格海綿的發(fā)現(xiàn),為這部史詩增添了濃墨重彩的一筆,讓我們得以一窺遠(yuǎn)古海洋的神秘面貌。

在未來,隨著技術(shù)的進(jìn)步和新方法的應(yīng)用,我們或許能夠發(fā)現(xiàn)更多的早期動物化石,進(jìn)一步完善生命演化的圖景。海綿動物的故事,將繼續(xù)啟發(fā)我們思考生命的本質(zhì),激勵我們探索未知的領(lǐng)域,追尋生命演化的奧秘。

參考文獻(xiàn):

1.Xiaopeng Wang, Alexander G. Liu, Zhe Chen, Chengxi Wu, Yarong Liu, Bin Wan, Ke Pang, Chuanming Zhou, Xunlai Yuan & Shuhai Xiao, A late-Ediacaran crown-group sponge animal

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2024-07-24