地球形成于46 億年前,生命誕生于40 億年前, 而直到距今約5.6-5.2 億年前的埃迪卡拉紀向寒武紀過渡時期,絕大多數現生動物門類的祖先才相繼在地球上爆發式出現。這一生命演化事件被科學家稱為“寒武紀大爆發”。

寒武紀大爆發是全球性重大生命演化事件,記錄于世界各地寒武紀早期的地層中。我國地域遼闊,沉積地層完整,生物化石資源豐富,較完好地保存了寒武紀大爆發的“事發現場”。尤其是在我國南方發現的云南澄江生物群和湖北清江生物群,完美地再現了寒武紀的海洋世界,是研究寒武紀大爆發最理想的化石寶庫。相比之下,華北地區因缺失寒武紀最早期的地層而長期被“冷落”。

 寒武紀生命大爆發時期華北的“小殼化石”

華北有寒武紀大爆發極盛時期的含磷地層,其中出產豐富的多門類無脊椎動物骨骼化石。這些化石個體微小,只有毫米級大小,一般被稱為“小殼化石”。它們以磷酸鹽化形式保存,保留了動物骨骼原有的微觀結構,不僅是寒武紀大爆發的證據之一,也是研究寒武紀生物礦化的理想“窗口”。為了揭示寒武紀大爆發在華北的體現和影響,自2010 年起,西北大學早期生命與環境研究團隊與中科院南京地質古生物研究所合作,對華北寒武紀地層中的“小殼化石”進行了專題研究,取得了許多原創性研究成果,在國內外著名學術刊物發表論文15 篇,為解決寒武紀大爆發時期的生命演化、生物礦化和古地理等科學問題起到了重要的促進作用。

寒武紀長期被認為是三葉蟲的時代。澄江生物群、清江生物群等能夠保存動物軟軀體的化石群的發現揭示,寒武紀海洋中除了三葉蟲和軟舌螺等有骨骼的動物之外,還生活著豐富多樣的沒有骨骼的動物。目前在華北寒武紀“小殼化石”中已發現的53 屬60 種動物中,各種海螺和貝殼就占了24 屬26 種,展現了一個別樣的“貝殼”世界。由此可見,我們對寒武紀的認識隨著研究的深入會不斷地被刷新。

寒武紀時期,中國的南方和北方是兩個獨立的小板塊,位于岡瓦納超大陸(由非洲、南美洲、南極洲和大洋洲構成) 周邊,它們究竟在超大陸的哪個方向長期以來沒有結論。我們通過化石屬種對比發現,華北的“小殼化石”組合與岡瓦納超大陸東側,尤其是南澳大利亞地區同時期的化石高度相似,包含39 個共有物種;而我國南方和北方同時期僅有9 個共有物種。因此,我們認為寒武紀時期我國南方和北方可能相距甚遠,華北板塊可能很靠近澳大利亞。

而更為重要的是,華北寒武紀“小殼化石”能夠在微米和納米尺度上保存骨骼的微細結構。這些結構能告訴我們寒武紀的動物是如何通過調控礦物的生長、排列和構架,從而建造自己的“盔甲”“武器”“居室”等礦化組成部分。通過研究華北“小殼化石”表明,海螺和貝殼曾由簡單的纖維結構快速演變成具有空間多等級的復雜結構,礦化能力在寒武紀早期已達到了很高的水平。在微觀尺度上對動物骨骼的研究也能讓我們更加明確一些已絕滅動物的演化關系。例如開腔骨的身體構型簡單,狀如海綿,但其骨骼具有典型的纖維狀文石結構,并且被一層有機質所包裹,體現了有機模板調控的礦化方式,這與海綿動物完全不同,因此糾正了之前將開腔骨視為海綿的判斷。

總之,“小殼化石”不僅能反映動物門類的多樣性,展示發生在華北的轟轟烈烈的生命演化事件,而且有助于解讀寒武紀大爆發時期生物礦化作用的機制和演化,讓我們理解動物如何強化軀體,從而抵御危險,并繁盛于寒武紀海洋。

(作者單位: 西北大學  贠浩  李洛陽  張興亮;中國科學院南京地質古生物研究所  潘兵 李國祥)