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历经15年,寻得6块5亿年前稀有化石“麒麟虾”——

节肢动物起源图景再添关键拼图

2020-11-06 中国科学报 韩扬眉
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章氏麒麟虾正模标本 南京古生物所供图

  生命从哪里来?是如何演化的?要到哪里去?这些是自然界留给古生物学家的“灵魂拷问”。

  5.4亿年前,“寒武纪大爆发”到来,复杂多样的生命在地球上“突然”出现,成为里程碑式的重大生命演化事件。从达尔文开始,生命如何“突然”发生,一直是困扰科学界的重大科学谜题,也成为一代代古生物学家执着破解的难题。

  11月5日,《自然》报道了中科院南京地质古生物研究所研究员朱茂炎研究团队发现的一种5亿多年前长相奇特的化石——“章氏麒麟虾”(以下简称麒麟虾)。它被认为是科学界期盼已久的、可以揭示节肢动物起源之谜的过渡型物种,麒麟虾的发现填补了节肢动物起源过程中关键的缺失环节,给生物进化论增添了一个强有力的化石证据。

  达尔文的困惑

  1859年,达尔文在《物种起源》里特别提到,动物界以三叶虫为代表的复杂类群在最古老含化石的岩石中“突然”出现,而复杂动物在寒武纪“突然”出现是对进化论的巨大挑战。

  1984年,中科院南京地质古生物研究所(以下简称南京古生物所)的科学家在云南澄江县帽天山发现了寒武纪早期澄江动物群,更加凸显了“寒武纪大爆发”的突发性,也使“达尔文的困惑”变得更加“迷惑”。1999年,南京古生物所在帽天山建立了澄江古生物研究站,致力追寻生命的起源和演化,解释“达尔文的困惑”。

  论文通讯作者之一、南京古生物所研究员赵方臣是澄江古生物研究站站长,他告诉《中国科学报》,澄江动物群是一个举世罕见的化石库,澄江动物群中化石丰富且保存精美,生动再现了5.2亿年前海洋生物的真实面貌。“澄江动物群中,绝大多数现生动物门类的演化历史可追溯到寒武纪,为揭示生物‘寒武纪大爆发’的奥秘提供了极其珍贵的证据。”

  达尔文进化论提到,在现存和已灭绝的所有物种之间,中间和过渡环节的数量一定是难以想象的多。“因此,想要破解‘寒武纪大爆发’之谜,科学家就需要找到动物门类起源的过渡型祖先化石。”论文通讯作者之一、南京古生物所研究员黄迪颖说。

  其中,节肢动物是理解“寒武纪大爆发”的重要例证之一。

  科学家在澄江动物群中发现,从寒武纪大爆发开始,节肢动物便是地球上多样性最高、生态适应最成功的动物门类之一。在今天,它们也是地球上个体数量最多的动物,且占据了动物界中大约80%的物种多样性。从人见人爱的螃蟹、小龙虾、蝴蝶,到人人喊打的苍蝇、蚊子等,它们都属于节肢动物,在海、陆、空各种环境下都有它们的身影。

  然而,节肢动物是怎么演化来的?它们的祖先又长什么样?100多年来,科学家追寻着这一生物进化难题的答案。

  15年找到并解析关键“过渡化石”

  黄迪颖告诉《中国科学报》,现今的节肢动物(又称真节肢动物)具有硬化的表皮、愈合的头壳、多节的躯干和分节的腿肢等特征。自上世纪90年代以来,关于节肢动物起源的研究源源不断。

  “奇特的虾”和“寒武纪五眼怪”的发现,是具有重要意义的事件。

  “奇特的虾”真名奇虾,因其体形巨大、身体造型奇特而得名。赵方臣介绍,奇虾最早在澄江动物群中被发现,是体长可达两米的顶级捕食动物,具有分节的大附肢,被认为是节肢动物祖先类型。但是,奇虾和真节肢动物形态差异巨大,两者之间存在着难以跨越的演化鸿沟。这一鸿沟成为探索“节肢动物起源之谜”的关键缺失环节。

  “寒武纪五眼怪”真名为奥帕宾海蝎,因特有的五只眼睛而得名,最早在加拿大的布尔吉斯页岩动物群中被发现,它也被认为是节肢动物祖先类型。

  但是,寒武纪节肢动物之间的演化关系仍尚无定论。

  2005年,朱茂炎研究团队开始收集节肢动物标本,历经15年,终于寻找到6块稀有的长相奇特的化石——麒麟虾,得以一步步揭开“节肢动物起源之谜”的面纱。

  论文第一作者、南京古生物所助理研究员曾晗告诉《中国科学报》,此次发现的麒麟虾化石,身体具有明显的真节肢动物特征,它的头部组合了节肢动物祖先类型奇虾和奥帕宾海蝎的形态构造,“这一种罕见的嵌合动物”。

  为了进一步验证麒麟虾作为过渡化石的角色,研究团队采用多种技术手段,对麒麟虾化石进行了精细的比较解剖学研究;以多年积累的研究数据为基础,结合麒麟虾独特的嵌合形态和演化发育生物学分析,证实了奇虾和真节肢动物第一对附肢的同源性。

  那么,麒麟虾在节肢动物的演化过程中处在哪个位置?研究人员通过谱系发生重建,计算反演出早期节肢动物演化关系和附肢形态转变的新模型。

  结果表明,麒麟虾的演化位置处于奇虾和其他真节肢动物之间,位于真节肢动物的根部。

  “生命之问”仍存谜团

  “麒麟虾代表了达尔文进化论预言的重要过渡化石,给生物进化论增添了一个强有力的化石证据。”黄迪颖说。

  麒麟虾的发现也得到国际同行的高度评价。他们认为,“这一完美而出人意料的过渡型动物,填补了节肢动物演化史一个知识空白”“架起了节肢动物演化的重要过渡环节,涵盖了节肢动物几个关键造型革新的起源”“解决了早期节肢动物头部前附肢同源性的争议问题”。

  南京古生物所所长詹仁斌说,经过几代科学家的努力,人们对动物起源之谜有了诸多重要认识,但这远不是终点,仍有许多“谜团”等待解开。

  事实上,中国有着很多全世界独一无二的化石宝库,保存着精美的化石材料。“这些材料为我们揭秘‘寒武纪大爆发’、解析生物起源之谜提供了优质的研究资源,未来要继续利用先进的技术方法,加强国际同行合作交流,不断取得新突破。”詹仁斌说。

  相关论文信息:

  https://doi.org/10.1038/s41586-020-2883-7

  (原载于《中国科学报》 2020-11-06 第1版 要闻)
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