在距今約5.3億年前,一個(gè)被稱為寒武紀(jì)的地質(zhì)歷史時(shí)期,地球生物界發(fā)生了翻天覆地的變化:在2000萬年的時(shí)間內(nèi),地球上突然涌現(xiàn)出各種各樣的動(dòng)物,它們不約而同地迅速起源、同時(shí)出現(xiàn)。
這就是著名的寒武紀(jì)生命大爆發(fā)。這些動(dòng)物為何會(huì)在短時(shí)間內(nèi)大量出現(xiàn),至今仍被國(guó)際學(xué)術(shù)界列為“十大科學(xué)難題”之一。
為了解開這個(gè)難題,科學(xué)家在世界各地廣泛收集寒武紀(jì)生物化石。但奇怪的是,寒武紀(jì)特異埋藏化石庫(kù)的時(shí)間和空間分布并不均勻,大多數(shù)著名的寒武紀(jì)特異埋藏化石庫(kù)都集中分布在華南板塊和勞倫大陸(今北美大陸的主體)。
前不久,《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所的一項(xiàng)最新成果,科研人員在華北地區(qū)首次發(fā)現(xiàn)距今約5.04億年的寒武紀(jì)特異埋藏化石庫(kù),并將其命名為“臨沂動(dòng)物群”。這一發(fā)現(xiàn)讓我們對(duì)5億年前發(fā)生在華北板塊上的生命演化故事,有了更為清晰的認(rèn)識(shí),也為研究地球生命演化打開了一扇新的窗口,補(bǔ)上了一塊新的拼圖。
寒武紀(jì)生命大爆發(fā)的未解之謎
對(duì)于過去,人類總有一種天生的好奇和敬畏;對(duì)于生命,人類也還有很多未知等待探索。
地球上所有的生命形式可以分成7大類:動(dòng)物、真菌、原生動(dòng)物、植物、古菌、細(xì)菌和病毒。其中,動(dòng)物是從寒武紀(jì)開始集中、大量出現(xiàn)的。
中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所寒武紀(jì)大爆發(fā)研究團(tuán)隊(duì)的趙方臣研究員介紹說,在寒武紀(jì)早期幾千萬年的時(shí)間內(nèi),突然出現(xiàn)門類眾多的無脊椎動(dòng)物。節(jié)肢、腕足、蠕形、海綿、脊索動(dòng)物等一系列與現(xiàn)代動(dòng)物形態(tài)基本相同的動(dòng)物在地球上來了個(gè)“集體亮相”。隨后,包括脊椎動(dòng)物在內(nèi)的幾乎所有動(dòng)物門類在幾百萬年間快速出現(xiàn),前寒武寂靜的海洋瞬間變成了熱鬧的動(dòng)物園。
也就是說,在不到地球歷史1%的時(shí)間里,寒武紀(jì)生命大爆發(fā)誕生了地球上絕大多數(shù)動(dòng)物門類,奠定了現(xiàn)今動(dòng)物門類多樣性的框架。
但是,令科學(xué)家不解的是,在早期更為古老的地層中,長(zhǎng)期以來沒有找到其明顯的祖先化石的現(xiàn)象。同時(shí),寒武紀(jì)特異埋藏化石庫(kù)的時(shí)間和空間分布也不均勻,大多數(shù)著名的寒武紀(jì)特異埋藏化石庫(kù)都集中分布在華南板塊和勞倫大陸。
比如大家比較熟悉的布爾吉斯動(dòng)物群在北美洲的加拿大發(fā)現(xiàn),澄江動(dòng)物群在我國(guó)的云南發(fā)現(xiàn)。而2019年在宜昌發(fā)現(xiàn)的清江生物群,與澄江動(dòng)物群同屬于華南板塊。
這種地理分布的不均衡在寒武紀(jì)中期(苗嶺世)表現(xiàn)最為明顯:這一時(shí)期幾乎所有的特異埋藏化石庫(kù)都位于勞倫大陸,而此時(shí)恰恰是寒武紀(jì)演化動(dòng)物群最為繁盛的階段。“因此,這些客觀條件在很大程度上制約了我們對(duì)寒武紀(jì)演化動(dòng)物群面貌和格局的全面認(rèn)識(shí)。”趙方臣說道。
我國(guó)是一個(gè)化石資源非常豐富的國(guó)家。據(jù)地質(zhì)古生物學(xué)家調(diào)查發(fā)現(xiàn),華北地區(qū)有大量的寒武紀(jì)地層,但長(zhǎng)期以來,還沒有發(fā)現(xiàn)類似的軟軀體保存的特異埋藏生物群。理論上,華北板塊不可能錯(cuò)過寒武紀(jì)生命大爆發(fā),那么,這些化石究竟埋藏在哪里呢?
超35個(gè)化石類群現(xiàn)身“臨沂動(dòng)物群”
近年來,中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所寒武紀(jì)大爆發(fā)研究團(tuán)隊(duì)在這一地區(qū)展開了大量野外工作,并選取代表性層位和剖面進(jìn)行了集中采集,收集到了數(shù)千枚精美的化石標(biāo)本。
本次綜合研究的“臨沂動(dòng)物群”來自山東省臨沂市西郊的寺口剖面,軟軀體化石集中產(chǎn)出于寒武系張夏組盤車溝段下部的黑色與黃綠色頁巖中??蒲腥藛T根據(jù)其中的三葉蟲,確定特異埋藏化石庫(kù)的時(shí)代為距今約5.04億年寒武紀(jì)苗嶺世鼓山期的早期,稍微晚于布爾吉斯頁巖生物群。
趙方臣告訴記者,目前,已有超過35個(gè)化石類群在“臨沂動(dòng)物群”中被發(fā)現(xiàn),豐富了這一時(shí)期海洋生物與群落的多樣性面貌。其中組合中多樣性最高的類群是非三葉蟲節(jié)肢動(dòng)物,又以奇蝦類和莫里森蟲類最為引人注目。除節(jié)肢動(dòng)物以外,多樣的海綿動(dòng)物和蠕蟲狀動(dòng)物也值得進(jìn)一步深入研究。
“‘臨沂動(dòng)物群’中的化石大部分為軟軀體形式保存,且許多都保存了精細(xì)的解剖結(jié)構(gòu),如附肢、眼睛、消化系統(tǒng)和剛毛等,為我們進(jìn)一步了解這些生物的解剖結(jié)構(gòu)提供了新信息。”趙方臣說。
趙方臣表示,軟軀體動(dòng)物極易分解腐化,很難保存為化石,只有在特定條件下才能形成化石。在華北地區(qū),過去也有科學(xué)家采集了大量寒武紀(jì)化石,但都是保存在硬質(zhì)的碳酸巖中,化石大多為三葉蟲的骨片,而對(duì)泥巖的采集鮮有涉足。
經(jīng)過對(duì)軟軀體化石保存條件的深入研究,趙方臣決定對(duì)華北地區(qū)細(xì)膩的泥巖進(jìn)行挖掘。經(jīng)過數(shù)年的采集,大量寒武紀(jì)軟軀體動(dòng)物化石重見天日。
科研人員發(fā)現(xiàn),與其他經(jīng)典的布爾吉斯頁巖型特異埋藏化石庫(kù)一樣,臨沂特異埋藏化石庫(kù)中的軟軀體結(jié)構(gòu)以碳膜的形式保存在背景層與事件層交互出現(xiàn)的地層中,證實(shí)了類似的埋藏學(xué)路徑在軟軀體化石保存中具有普遍性。
華北首次發(fā)現(xiàn)寒武紀(jì)特異埋藏化石庫(kù)
作為華北板塊第一個(gè)被綜合研究的寒武紀(jì)特異埋藏化石庫(kù),科學(xué)家對(duì)“臨沂動(dòng)物群”寄予厚望。它有望為華北寒武紀(jì)特異埋藏化石庫(kù)的研究開啟新的篇章。
“在寒武紀(jì)時(shí)期,地球大陸的板塊與現(xiàn)在大不相同,我國(guó)的華北板塊與長(zhǎng)江流域的場(chǎng)子地臺(tái)、華南地區(qū)的華南褶皺區(qū)還處于分離狀態(tài)。華北板塊是一個(gè)獨(dú)立塊體,當(dāng)時(shí)臨沂所在的位置,大概位于華南和加拿大中間,是茫茫大洋中的一塊孤島。”趙方臣說,作為中國(guó)傳統(tǒng)“中寒武統(tǒng)”的標(biāo)準(zhǔn)地區(qū),華北板塊的寒武紀(jì)中期地層序列完整,化石豐富,是尋找這一時(shí)期特異埋藏化石庫(kù)的潛力地區(qū)。
而遠(yuǎn)在數(shù)千公里之外的華南板塊,澄江生物群代表了寒武紀(jì)生命大爆發(fā)的高峰期。在那之后,生命演化呈現(xiàn)什么規(guī)律,與奧陶紀(jì)生命大輻射如何銜接?解開這個(gè)謎團(tuán)就需要“中寒武統(tǒng)”的華北板塊“接力”跑下去。
“我們認(rèn)為生命演化是有連續(xù)性的,華北板塊發(fā)現(xiàn)的‘臨沂動(dòng)物群’正好接上了澄江生物群,可以研究?jī)烧咧g的相關(guān)性。”趙方臣表示,華北板塊寒武紀(jì)特異埋藏化石還有待進(jìn)一步發(fā)掘研究,有望在更晚的地層中獲得新的發(fā)現(xiàn),把寒武紀(jì)到奧陶紀(jì)的生命演化故事講得更完整。
同時(shí),“臨沂動(dòng)物群”與同期的北美特異埋藏化石庫(kù)之間有許多相同的生物類型,其中一些珍稀節(jié)肢動(dòng)物,如迷音蟲和莫里森蟲,即使在原產(chǎn)地北美也十分少見,這暗示了華北與北美軟軀體動(dòng)物群在這一時(shí)期的密切聯(lián)系。
通過聚類分析、非度量性多維標(biāo)度變換和網(wǎng)絡(luò)分析等定量分析手段,科研人員進(jìn)一步明確了華北與北美軟軀體動(dòng)物群之間的聯(lián)系。“這表明華北可能充當(dāng)著東岡瓦納與北美之間的生物地理紐帶。不過,由于來自不同角度的古地理證據(jù)尚存在差異,這種聯(lián)系的生物地理解釋還需要進(jìn)一步的研究評(píng)估。”趙方臣說。
標(biāo)簽: 寒武紀(jì)地質(zhì)歷史 寒武紀(jì)生命大爆發(fā) 臨沂動(dòng)物群 寒武紀(jì)生物化石
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