6亿年前贵州始杯海绵

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在寒武纪早期地球为什么突然出现各种复杂的动物？

是不是在前寒武纪时代就早已埋下了“根源”？

前寒武纪的地层中究竟有没有留下这些复杂动物的祖先化石？

如果有，它们到底是什么模样？

迄今为止最古老海绵化石的出现，

让我们距离寒武纪大爆发的秘密又近一步。

海绵“祖先”六亿年后现身

中国科学院南京地质古生物研究所的朱茂炎研究团队对贵州乌江边发现的瓮安生物群进行了大量的标本研究，终于发现了一枚距今6亿年的且保存完好的原始海绵动物化石，并把它命名为“贵州始杯海绵”。

在距今6亿年的古代海洋里，生活着现代海绵生物的“祖先”。这是一种结构最简单的多细胞动物，它们没有组织和器官没有分化，没有头，没有尾，没有躯干和四肢，更没有神经。它们固定生活在浅水区的海底，用原始和简单的方式“捕食”，通过结构简单的水沟系统，滤取水中细小的有机质颗粒、细菌和微生物为食，以维持生命。

然而，这些古老海绵中的一个在生命消亡之后，经历了沧海桑田，被偶然“封存”在现在贵州省瓮安县境内瓮福磷矿采区的磷矿地层内（埃迪卡拉纪陡山沱组上部）的瓮安生物群中，化作石头的一部分。古老海绵保留着那原始的模样，它在无言地等待重见天日的那天，等着有人能帮它“找回”自己。

在1998年发现了地球上已知最早的动物胚胎之后，中国科学院南京地质古生物所的科学家们也一直在找寻动物成体化石。这个古老的海绵化石正是这些科学家期望找到的。为此，他们一直在瓮福磷矿采区做着艰苦的采集工作，回到实验室之后也不停下研究的脚步。

皇天不负有心人，中国科学院南京地质古生物研究所的朱茂炎研究团队采用新的技术手段，对瓮安生物群进行了大量的标本研究，终于取得了激动人心的进展——他们在瓮安生物群中发现了一枚距今6亿年的且保存完好的原始海绵动物化石，并把它命名为“贵州始杯海绵”。

此前，古生物学界认定可靠的海绵化石记录最早大约出现在5.35亿年前的寒武纪早期。“贵州始杯海绵”的发现将这一时间向前推进了6000万年，这也意味着所有动物的“共同祖先”出现应远早于6亿年前，远早于古生物学家的传统推测。这一成果发表在2015年3月的《美国科学院院报》上。

揭开“贵州始杯海绵”的神秘面纱

专家先用化学溶蚀法把这枚直径1.3毫米化石的化石剥离出来，放在同步辐射光源下观察，最终用三维无损成像方法重建了它的三位结构图像。图像下的化石表明它是一种与现代海绵动物非常相似的原始动物。

贵州始杯海绵化石最珍贵的是——它是一个“三维立体化石”。这枚化石是从数百公斤化石中偶然发现的，以磷酸盐化的形式保存在白云质磷块岩中，专家们只能先用化学溶蚀法将它们剥离出来。剥离出来之后发现这枚化石非常细小，只有米粒大小，最大直径只有1.3毫米。

研究团队成员殷宗军博士指出，6亿年前的氧气含量极低，由于海洋中供氧不足，动物基本都是小不点。

但这枚海绵化石实在太小了，在不损害它的情况下，用什么方式观察它成了大问题。因为切片对化石有损害，研究团队只能把它放在最先进的大型科学装置同步辐射光源下观察，并且使用了目前最先进的三维无损成像方法，重建了该化石的三维结构图像，让人们可以360度观察它。

科学家们发现，这枚海绵化石有成千上万的细胞，每个细胞都保存得非常好，它们没有明显的细胞壁，像“乒乓球”那样叠合在一起。图像显示化石整体外观呈缠绕的管状，由3个独立的腔室共用一个实体基座组成，每一个腔室都有一个向上的开口。还能看到这个生物体已经发生了明显的细胞分化，而且表面的扁平细胞与现代海绵表面的扁平细胞无论是细胞形态还是细胞之间的联接方式都十分相似。化石表面不同区域覆盖的细胞具有不同的形态和定向，细胞之间还发育了数量众多的小孔，这些小孔直通有开口的腔室。在腔室内壁上发现了类似现代海绵的领细胞结构。这些小孔和腔室一起形成了简单的水沟系统，为生物体提供了与外界进行物质交换的通道。以上这些生物学特征表明这个生物体是一种与现代海绵动物非常相似的原始动物。

海绵动物是整个动物界中最原始的类群，它们没有真正的组织和器官，只有细胞分化，因此在化石中识别海绵动物最理想的情况则是找到保存了细胞结构和完整水沟系统的标本。

“贵州始杯海绵”精美保存的细胞和完整的水沟系统，使得该标本成为目前为止最古老的海绵化石，其发现将海绵动物的化石记录向寒武纪之前推进了6000万年。

a 有简单的单沟系水沟系统海绵解剖示意图。箭头指示水流方向。

b 是海绵形态学和解剖学特征原理图。展示了如下内容：体壁的分层，包括最外层的扁平细胞，最内层的环细胞，隔开这两层细胞的中胶层；位于体壁上的进水孔和海绵腔向外打开的排水孔；以及一些其他的细胞类型比如孔细胞和变形细胞。

c 现代某种六射海绵内壁领细胞层的解剖结构示意图.

d 海中生活的寻常海绵的形态。图片提供 Bernard Picton （Department of Natural Sciences， National Museums Northern Ireland， Cultra， Holywood， United Kingdom）

寒武纪大爆发的源头新例证

“贵州始杯海绵”的发现，预示着一些与这类海绵动物有共同祖先，但形体更复杂的后生动物在瓮安生物群中也已经出现，而所有动物的共同祖先应该远远早于6亿年。

海绵这种不起眼的海洋生物，形态、颜色、大小各异。它们没有器官，也没有明晰的组织，但有细胞的分化，有水沟系统。通常为雌雄同体，能进行有性繁殖和无性繁殖。海绵的化石恰恰有非常重要的研究价值。

海绵是地球早期生命演化中的一种低等动物，在早期生命的构成中占有重要地位，在所有动物门类中约占5%的比例，其中390属已被确认源自白垩纪（1.35〜0.65亿年前）。在前寒武纪和寒武纪的地层中，古生物学家都曾发现了大量的海绵化石。他们就此确定：海绵在生命结构方面保存着最原始的特征，还见证了寒武纪生命大爆发的过程。

正因为这个原因，古生物专家都对“寻找古老海绵”兴趣浓厚，希望能从中解开动物起源的奥秘。可惜，多年来科学家们收获甚微，鲜有新的发现。

结合现有的动物谱系树和分子演化生物学（分子钟）的推断，瓮安生物群中 “贵州始杯海绵”的发现，预示着一些与这类海绵动物有共同祖先，但形体更复杂的后生动物在瓮安生物群中也已经出现，而所有动物的共同祖先应该远远早于6亿年。这一理论上的预测为在更古老的地层中发现动物始祖化石提供了依据，将指导科学家在追溯寒武纪大爆发起源的旅途中继续前行。

上世纪，随着加拿大布尔吉斯页岩生物群、我国著名的云南澄江动物群和凯里生物群等几个寒武纪特异埋藏化石库的发现和研究，一个关于地球生命演化的奇妙理论——寒武纪大爆发理论逐渐被推向高潮。

从最简单的海绵动物到最高等的脊索动物，几乎现代所有动物门类在寒武纪早期短短几百万年的时间内快速出现，并成功实现了大规模辐射式演化，基本上占领了当时海洋中所有的生态位，使得包括脊椎动物在内的现今地球上所有的复杂动物门类在5.2亿年前全部出现。

动物的寒武纪大爆发作为一个客观存在的事实已被广泛接受，然而厚厚的前寒武系地层中却鲜有后生动物化石的踪影。

这也激发了人们更多的疑问：寒武纪大爆发因何发生？地球生命在经历了30多亿年的缓慢演化后，为什么突然在寒武纪早期出现各种复杂的动物？前寒武纪地层中究竟有没有留下这些复杂动物的祖先化石？如果有，它们到底是什么模样？

这些悬而未决的问题长期以来是古生物学和演化生物学研究的前沿课题。想要回答这些问题，则必需在研究6亿年前后地球环境背景的同时，寻找前寒武纪后生动物化石记录，追溯寒武纪大爆发的源头。然而寒武纪之前的地质记录中多细胞动物的化石记录十分稀有，而且著名的埃迪卡拉动物群（距今5.75-5.41亿年）的宏观生物又被认为和寒武纪出现的动物没有直接的亲缘关系，只是生命演化史上一次失败了的创新实验。因此找到寒武纪之前，尤其是早于埃迪卡拉生物群的动物化石记录，对了解动物在地球上的起源时间和过程都十分重要。

“贵州始杯海绵”标本，就为前寒武纪时期多细胞动物的化石记录提供了新的重要例证。在不远的将来，随着前寒武纪时代更多古老动物化石的发现，寒武纪大爆发的秘密会真正揭开。

重建了该化石的三维结构图像

研究团队把“贵州始杯海绵”放在最先进的大型科学装置同步辐射光源下观察，并且使用了目前最先进的三维无损成像方法，在不损害化石的情况下，重建了该化石的三维结构图像，让人们可以360度观察它。