中國科學(xué)家在長城腳下發(fā)現(xiàn)古老秘密！入選Science年度十大突破

編者按：

北京時間12月13日，美國《科學(xué)》雜志網(wǎng)站公布了2024年度十大科學(xué)突破評選結(jié)果，中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所朱茂炎團隊發(fā)現(xiàn)的迄今最古老多細胞真核生物化石成果入選。真核生物的多細胞化是生命向復(fù)雜化和大型化演化的必備條件，被認為是生命演化史上的重大關(guān)鍵事件之一，這一發(fā)現(xiàn)將多細胞真核生物出現(xiàn)的時間進一步提前了約7000萬年。

很多人都了解地球上漫長的生命演化史：在38億年的時光中，生物從原核生物到真核生物，從單細胞真核生物到多細胞真核生物，逐步從簡單生命演化成復(fù)雜生命。在現(xiàn)在的地球上，包括人類在內(nèi)的動物、陸生植物、真菌和宏體藻類等，都是復(fù)雜生命，也都是多細胞真核生物。

生命系統(tǒng)發(fā)生樹（圖片來源：維基百科）

那么，多細胞真核生物是何時在地球上出現(xiàn)的呢？這可是生命演化史上的重大關(guān)鍵事件之一。之前的研究證明，這個時間是距今15.6億年前。會不會更早呢？2024年1月25日，中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所朱茂炎研究員領(lǐng)導(dǎo)的“地球-生命系統(tǒng)早期演化”團隊回答了這個問題。團隊成員中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所博士苗蘭云在華北燕山地區(qū)16.3億年前地層中發(fā)現(xiàn)多細胞真核生物化石，這些保存精美細胞結(jié)構(gòu)的微體化石被認為是迄今全球發(fā)現(xiàn)最早的多細胞真核生物化石記錄。該科研成果最初發(fā)表在《科學(xué)進展》（Science Advances）雜志上。

“我找到的化石，是不是最早的多細胞真核生物？”這道證明題是怎么做的呢？

Part.1 長城腳下，藏著生命演化早期的秘密

圖片來源：新華社

燕山山脈是中國北方重要山脈之一，位于內(nèi)蒙古壩上高原以南，河北平原以北，白河谷地以東，山海關(guān)以西，逶迤著中華民族的精神象征——長城。研究團隊為什么要把目光鎖定在這里？大家不了解的是，對于地質(zhì)古生物學(xué)來說，燕山山脈有著更加非凡的意義。

長城腳下，是一套被稱為“長城系”和“薊縣系”的巖石，為距今18億年到13億年前的前寒武紀(jì)沉積地層，近萬米厚，是全球開展地球早期地質(zhì)歷史和生命演化的最好、最經(jīng)典的地區(qū)之一，以天津薊縣（現(xiàn)稱薊州）地區(qū)為代表。1984年我國在天津薊縣成立第一個國家級自然保護區(qū)，2001年天津薊縣國家地質(zhì)公園成立，這里記錄著燕山的自然風(fēng)光、文化古跡和獨特的地質(zhì)記錄。

20世紀(jì)30年代初，中國科學(xué)院院士高振西等人在長城腳下的天津薊縣建立我國北方“震旦系”標(biāo)準(zhǔn)剖面。近百年來，經(jīng)過幾代地質(zhì)學(xué)家的研究，其時代厘定越來越精準(zhǔn)。1997年，中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心朱士興和黃學(xué)光在河北遷西和寬城地區(qū)進行野外地質(zhì)調(diào)查工作過程中，在15.6億年前的“薊縣系”高于莊組中發(fā)現(xiàn)了大型碳質(zhì)膜化石，這是生物體被埋藏后在化石化的過程中被壓扁保存為一層深色的碳質(zhì)物質(zhì)。

2016年，朱茂炎團隊與朱士興等國內(nèi)外學(xué)者一起，對這批標(biāo)本開展了系統(tǒng)的研究，認為它們屬于多細胞真核生物化石，距今15.6億年。而且，這批多細胞真核化石已經(jīng)“長得很大”，寬達8厘米，不完整的化石長度達30厘米。出現(xiàn)這么大的宏體化石，說明在這之前還會有相對簡單的微體化石（就是肉眼看不見的那種）階段。這一結(jié)果突破了學(xué)界以往的認知，不僅將地球上大型多細胞真核生物的出現(xiàn)時間從以前認為的6億年前提前了將近10億年，并由此推斷真核生物發(fā)生多細胞化的時間應(yīng)該更早。為了驗證前人的這一推斷，苗蘭云自博士研究生階段開始，就將在燕山地區(qū)早于16億年的古元古代晚期“長城系”地層中尋找多細胞真核化石記錄作為主要研究課題。

Part.2 八年積淀，每一次的實驗都是“拆盲盒”

由于長城系地層中的化石多為肉眼看不見的微體化石，必須要借助顯微鏡才能看清楚細節(jié)，而且這些化石被深深包埋在頁巖里，所以科研人員要將采集的樣本帶回實驗室，通過嚴格的微體化石酸提取實驗，找到微體化石才能進行分析。8年來，苗蘭云一直往返于南京與河北：在燕山腳下采集樣品，再返回南京的實驗室。

之所以說是“拆盲盒”，是因為并不是所有頁巖中都保存有微體化石，每次做微體化石酸提取實驗的結(jié)果是無法預(yù)料的。

“拆盲盒”的過程

（1）首先用氫氟酸把頁巖中的礦物都溶解掉，有機質(zhì)（主要由碳和氫組成的有機物）不受氫氟酸影響因而能保留下來；

（2）前一步過程中會產(chǎn)生CaF2，是絮狀物質(zhì)，使溶液看起來像牛奶一樣渾濁。為去除CaF2，要在去除殘余氫氟酸后，添加鹽酸，然后通過水浴加熱的方式去除絮狀CaF2；

（3）剩下溶液里主要是水、有機質(zhì)、鹽酸等物質(zhì)，再利用多換水的方式將溶液洗成中性，最后剩下就主要是水和有機質(zhì)了。

化石就是以有機質(zhì)形成保存的，所以尋找微體化石，要在有機質(zhì)中尋找。

古生物版的“盲盒”大概是這樣的：

Part.3 教你辨認多細胞真核生物化石

終于，苗蘭云從采集的幾百件樣品中發(fā)現(xiàn)了278枚保存精美細胞結(jié)構(gòu)的微體多細胞真核化石標(biāo)本，這些標(biāo)本均來自在河北省寬城縣翁家莊剖面串嶺溝組中上部地層。你也許會好奇，上面的樣品看起來都差不多，怎么分辨出哪些是多細胞真核生物呢？下面我們結(jié)合圖片來分析一下多細胞真核生物化石的特點。

圖1. 串嶺溝組中發(fā)現(xiàn)的壯麗青山藻. 化石保存為有機質(zhì)壁構(gòu)成的多細胞絲狀體，顯示細胞大小的變化引起的絲狀體形態(tài)變化. 絲狀體直徑向一端收縮（A-D, F-I, K），絲狀體直徑不變（J），保存有完整端部的絲狀體（E, L）. 比例尺對于F-H和K代表100微米，其余的代表50微米（Miao et al., 2024b）

圖2. 含有孢子結(jié)構(gòu)的壯麗青山藻. 比例尺對于A, C, D和F代表50微米（Miao et al., 2024b）

第一個特點：細胞大。在顯微鏡下可以看出，這些化石是由巨型細胞組成的。它們是由單列細胞組成的無分枝的絲狀體（圖1和2），絲狀體直徑20-190微米不等，最長可達860微米，無外鞘。（注：原核生物細胞一般小于2微米；真核生物細胞一般2-100微米）

第二個特點：形態(tài)顯示一定的復(fù)雜性。這些化石有些絲狀體直徑保持不變，細胞呈短柱狀至長柱狀；有些絲狀體整體向一端均勻收縮，細胞呈柱狀、桶狀或杯狀；而有的絲狀體僅一端變細（圖1）。通過測量顯示不同類型的多細胞絲狀體在形態(tài)上呈現(xiàn)連續(xù)過渡變化的特征，研究人員發(fā)現(xiàn)這些多細胞絲狀體化石屬于同一個物種。這些化石的復(fù)雜性還體現(xiàn)在，一些化石中被發(fā)現(xiàn)有類似于現(xiàn)生繁殖細胞——孢子一樣的圓形結(jié)構(gòu)，這說明該化石實際上是一種通過孢子繁殖的生物。苗蘭云通過文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，絲狀體化石的形態(tài)和大小與1989年前人在天津薊縣地區(qū)串嶺溝組發(fā)現(xiàn)的“壯麗青山藻”（Qingshania magnifica Yan, 1989）相似，所以這些擁有巨型細胞且細胞形態(tài)復(fù)雜的化石應(yīng)該就是“壯麗青山藻”。擁有巨型細胞、形態(tài)復(fù)雜就一定是多細胞真核生物了嗎？還需要做幾道“篩選題”。

Part.4 符合這些條件，“壯麗青山藻”身份確定

要確定這個化石的身份，還得把它跟現(xiàn)生的生物、同時期的生物做對比。

1.與現(xiàn)生的生物對比

在現(xiàn)生生物中，由單列細胞組成的絲狀體生物種類非常繁多，在原核（細菌和古菌）和真核生物中都廣泛存在?？蒲腥藛T根據(jù)此次發(fā)現(xiàn)的化石擁有著巨型細胞且絲狀體形態(tài)復(fù)雜這一特征，開始進行排除大法?？蒲腥藛T先將壯麗青山藻與現(xiàn)生原核生物進行了對比。據(jù)統(tǒng)計，目前已知的原核絲狀體至少分布于12個門類147個屬中，綜合比較絲狀體形態(tài)的復(fù)雜度、細胞大小和繁殖方式，原核生物中并沒有可以與壯麗青山藻相類似的類型。這些現(xiàn)生的原核絲狀體大多個體很小，而個別較大的生物形態(tài)又比較簡單。因此，排除壯麗青山藻是原核生物。而在現(xiàn)生真核生物中，類似壯麗青山藻的絲狀體生物則很多，例如：異養(yǎng)的絲狀真菌和絲狀卵菌，特別是大多數(shù)真核藻類都含絲狀體，如褐藻、黃藻、綠藻、紅藻、輪藻、共球藻等。

綜合分析表明，壯麗青山藻與一些現(xiàn)生綠藻的藻絲體形態(tài)、細胞大小分布和繁殖方式等最為接近。因此，研究團隊認為壯麗青山藻為多細胞真核生物化石，且很可能是多細胞藻類，具備光合作用的代謝能力，但是，目前無法將其歸屬到具體現(xiàn)生門類中去。

2.借助高科技，對比“同齡人”

為了進一步驗證壯麗青山藻的真核生物屬性，研究團隊采用激光拉曼光譜儀對壯麗青山藻和同一個頁巖樣品中提取到的3種藍細菌（多細胞原核生物）化石的有機質(zhì)成分進行譜學(xué)對比分析。拉曼光譜特征表明，與同層位的多細胞原核生物相比，壯麗青山藻經(jīng)歷了低級變質(zhì)作用（變質(zhì)作用是指受溫度、壓力或其他因素影響使得原來的物質(zhì)結(jié)構(gòu)或成分遭到變化。對地質(zhì)樣品來說，經(jīng)了漫長的地質(zhì)作用，例如地溫梯度和壓力，它原始的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和成分會逐漸發(fā)生變化），不可能是現(xiàn)代生物污染。而且化石的有機質(zhì)組成明顯不同于藍細菌化石，進一步支持了多細胞真核生物屬性的解釋。

Part.5 真核生物的最后共同祖先 起源時間可能提前

本次發(fā)現(xiàn)的含化石地層的頂部有一層火山凝灰?guī)r，前人曾通過鋯石鈾-鉛同位素定年結(jié)果為16.35億年，這為新發(fā)現(xiàn)的化石提供了直接的年齡約束。因此，“壯麗青山藻”被認為是迄今全球發(fā)現(xiàn)最早的多細胞真核生物化石記錄。距今16.3億年前！根據(jù)以上“證明題”的論證過程，研究人員可以確定，壯麗青山藻是目前最早的具細胞結(jié)構(gòu)的多細胞真核化石（距今16.3億年前），且可能是已經(jīng)滅絕了的真核藻類（具體親緣關(guān)系未知）。由于，目前學(xué)界普遍接受的真核生物最早化石記錄（單細胞真核生物化石）發(fā)現(xiàn)于我國華北和澳大利亞北部距今約16.5億年的古元古代晚期地層中。壯麗青山藻的出現(xiàn)時間，僅稍晚于這些最古老的單細胞真核化石，表明真核生物出現(xiàn)之后便迅速發(fā)生了復(fù)雜的多細胞化演化。由于真核藻類（泛色素體植物）屬于冠群真核生物（現(xiàn)代真核生物）的一個支系，如果壯麗青山藻可以確認為是營光合作用的真核藻類，那么真核生物最后共同祖先（LECA）應(yīng)不晚于16.3億年前，比當(dāng)前學(xué)界普遍接受的時間提前了近6億年之久。這為進一步揭示復(fù)雜生命的起源和早期演化過程的奧秘以及元古宙地球環(huán)境演變提供了新的思考。

真核生物譜系發(fā)生樹簡化圖和真核生物早期重要化石記錄. 真核生物樹中，虛線表示干群真核生物，實線表示冠群真核生物（真核生物最后共同祖先LECA及其所有后裔）. 分歧點上的淺灰色條帶表示分子鐘估算的分歧時間（Parfrey et al., 2011, PNAS）. 右圖顯示真核生物各類群最早的化石記錄（據(jù)Miao et al., 2024b修改）

哈佛大學(xué)Andrew Knoll教授和中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所屈原皋研究員參加了此項成果的研究。研究得到國家重點研發(fā)計劃（2022YFF0800100）、國家自然科學(xué)基金（41888101, 41921002, 41972204）和中國科學(xué)院創(chuàng)新交叉團隊（JCTD-2020-18）的聯(lián)合資助。

相關(guān)論文:

[1]Miao, L., Moczyd?owska, M., Zhu, S., Zhu, M., 2019. New record of organic-walled, morphologically distinct microfossils from the late Paleoproterozoic Changcheng Group in the Yanshan Range, North China. Precambrian Research, 321:172-198.

[2]Miao, L., Yin, Z., Li, G., Zhu, M., 2024a. First report of Tappania and associated microfossils from the late Paleoproterozoic Chuanlinggou Formation of the Yanliao Basin, North China. Precambrian Research, 400:107268.

[3]Miao, L., Yin, Z., Knoll, A.H., Qu, Y., Zhu, M., 2024b. 1.63-billion-year-old multicellular eukaryotes from the Chuanlinggou Formation in North China. Science Advances.

[4]Zhu, S., Zhu, M., Knoll, A.H., Yin, Z., Zhao, F., Sun, S., Qu, Y., Shi, M., Liu, H., 2016. Decimetre-scale multicellular eukaryotes from the 1.56-billion-year-old Gaoyuzhuang Formation in North China. Nature Communications, 7:11500.

來源：科學(xué)大院