6億年前貴州始杯海綿

在寒武紀早期地球為什么突然出現各種復雜的動物？

是不是在前寒武紀時代就早已埋下了“根源”？

前寒武紀的地層中究竟有沒有留下這些復雜動物的祖先化石？

如果有，它們到底是什么模樣？

迄今為止最古老海綿化石的出現，

讓我們距離寒武紀大爆發的秘密又近一步。

海綿“祖先”六億年后現身

中國科學院南京地質古生物研究所的朱茂炎研究團隊對貴州烏江邊發現的甕安生物群進行了大量的標本研究，終于發現了一枚距今6億年的且保存完好的原始海綿動物化石，并把它命名為“貴州始杯海綿”。

在距今6億年的古代海洋里，生活著現代海綿生物的“祖先”。這是一種結構最簡單的多細胞動物，它們沒有組織和器官沒有分化，沒有頭，沒有尾，沒有軀干和四肢，更沒有神經。它們固定生活在淺水區的海底，用原始和簡單的方式“捕食”，通過結構簡單的水溝系統，濾取水中細小的有機質顆粒、細菌和微生物為食，以維持生命。

然而，這些古老海綿中的一個在生命消亡之后，經歷了滄海桑田，被偶然“封存”在現在貴州省甕安縣境內甕福磷礦采區的磷礦地層內（埃迪卡拉紀陡山沱組上部）的甕安生物群中，化作石頭的一部分。古老海綿保留著那原始的模樣，它在無言地等待重見天日的那天，等著有人能幫它“找回”自己。

在1998年發現了地球上已知最早的動物胚胎之后，中國科學院南京地質古生物所的科學家們也一直在找尋動物成體化石。這個古老的海綿化石正是這些科學家期望找到的。為此，他們一直在甕福磷礦采區做著艱苦的采集工作，回到實驗室之后也不停下研究的腳步。

皇天不負有心人，中國科學院南京地質古生物研究所的朱茂炎研究團隊采用新的技術手段，對甕安生物群進行了大量的標本研究，終于取得了激動人心的進展——他們在甕安生物群中發現了一枚距今6億年的且保存完好的原始海綿動物化石，并把它命名為“貴州始杯海綿”。

此前，古生物學界認定可靠的海綿化石記錄最早大約出現在5.35億年前的寒武紀早期。“貴州始杯海綿”的發現將這一時間向前推進了6000萬年，這也意味著所有動物的“共同祖先”出現應遠早于6億年前，遠早于古生物學家的傳統推測。這一成果發表在2015年3月的《美國科學院院報》上。

揭開“貴州始杯海綿”的神秘面紗

專家先用化學溶蝕法把這枚直徑1.3毫米化石的化石剝離出來，放在同步輻射光源下觀察，最終用三維無損成像方法重建了它的三位結構圖像。圖像下的化石表明它是一種與現代海綿動物非常相似的原始動物。

貴州始杯海綿化石最珍貴的是——它是一個“三維立體化石”。這枚化石是從數百公斤化石中偶然發現的，以磷酸鹽化的形式保存在白云質磷塊巖中，專家們只能先用化學溶蝕法將它們剝離出來。剝離出來之后發現這枚化石非常細小，只有米粒大小，最大直徑只有1.3毫米。

研究團隊成員殷宗軍博士指出，6億年前的氧氣含量極低，由于海洋中供氧不足，動物基本都是小不點。

但這枚海綿化石實在太小了，在不損害它的情況下，用什么方式觀察它成了大問題。因為切片對化石有損害，研究團隊只能把它放在最先進的大型科學裝置同步輻射光源下觀察，并且使用了目前最先進的三維無損成像方法，重建了該化石的三維結構圖像，讓人們可以360度觀察它。

科學家們發現，這枚海綿化石有成千上萬的細胞，每個細胞都保存得非常好，它們沒有明顯的細胞壁，像“乒乓球”那樣疊合在一起。圖像顯示化石整體外觀呈纏繞的管狀，由3個獨立的腔室共用一個實體基座組成，每一個腔室都有一個向上的開口。還能看到這個生物體已經發生了明顯的細胞分化，而且表面的扁平細胞與現代海綿表面的扁平細胞無論是細胞形態還是細胞之間的聯接方式都十分相似。化石表面不同區域覆蓋的細胞具有不同的形態和定向，細胞之間還發育了數量眾多的小孔，這些小孔直通有開口的腔室。在腔室內壁上發現了類似現代海綿的領細胞結構。這些小孔和腔室一起形成了簡單的水溝系統，為生物體提供了與外界進行物質交換的通道。以上這些生物學特征表明這個生物體是一種與現代海綿動物非常相似的原始動物。

海綿動物是整個動物界中最原始的類群，它們沒有真正的組織和器官，只有細胞分化，因此在化石中識別海綿動物最理想的情況則是找到保存了細胞結構和完整水溝系統的標本。

“貴州始杯海綿”精美保存的細胞和完整的水溝系統，使得該標本成為目前為止最古老的海綿化石，其發現將海綿動物的化石記錄向寒武紀之前推進了6000萬年。

a 有簡單的單溝系水溝系統海綿解剖示意圖。箭頭指示水流方向。

b 是海綿形態學和解剖學特征原理圖。展示了如下內容：體壁的分層，包括最外層的扁平細胞，最內層的環細胞，隔開這兩層細胞的中膠層；位于體壁上的進水孔和海綿腔向外打開的排水孔；以及一些其他的細胞類型比如孔細胞和變形細胞。

c 現代某種六射海綿內壁領細胞層的解剖結構示意圖.

d 海中生活的尋常海綿的形態。圖片提供 Bernard Picton （Department of Natural Sciences， National Museums Northern Ireland， Cultra， Holywood， United Kingdom）

寒武紀大爆發的源頭新例證

“貴州始杯海綿”的發現，預示著一些與這類海綿動物有共同祖先，但形體更復雜的后生動物在甕安生物群中也已經出現，而所有動物的共同祖先應該遠遠早于6億年。

海綿這種不起眼的海洋生物，形態、顏色、大小各異。它們沒有器官，也沒有明晰的組織，但有細胞的分化，有水溝系統。通常為雌雄同體，能進行有性繁殖和無性繁殖。海綿的化石恰恰有非常重要的研究價值。

海綿是地球早期生命演化中的一種低等動物，在早期生命的構成中占有重要地位，在所有動物門類中約占5%的比例，其中390屬已被確認源自白堊紀（1.35?0.65億年前）。在前寒武紀和寒武紀的地層中，古生物學家都曾發現了大量的海綿化石。他們就此確定：海綿在生命結構方面保存著最原始的特征，還見證了寒武紀生命大爆發的過程。

正因為這個原因，古生物專家都對“尋找古老海綿”興趣濃厚，希望能從中解開動物起源的奧秘。可惜，多年來科學家們收獲甚微，鮮有新的發現。

結合現有的動物譜系樹和分子演化生物學（分子鐘）的推斷，甕安生物群中 “貴州始杯海綿”的發現，預示著一些與這類海綿動物有共同祖先，但形體更復雜的后生動物在甕安生物群中也已經出現，而所有動物的共同祖先應該遠遠早于6億年。這一理論上的預測為在更古老的地層中發現動物始祖化石提供了依據，將指導科學家在追溯寒武紀大爆發起源的旅途中繼續前行。

上世紀，隨著加拿大布爾吉斯頁巖生物群、我國著名的云南澄江動物群和凱里生物群等幾個寒武紀特異埋藏化石庫的發現和研究，一個關于地球生命演化的奇妙理論——寒武紀大爆發理論逐漸被推向高潮。

從最簡單的海綿動物到最高等的脊索動物，幾乎現代所有動物門類在寒武紀早期短短幾百萬年的時間內快速出現，并成功實現了大規模輻射式演化，基本上占領了當時海洋中所有的生態位，使得包括脊椎動物在內的現今地球上所有的復雜動物門類在5.2億年前全部出現。

動物的寒武紀大爆發作為一個客觀存在的事實已被廣泛接受，然而厚厚的前寒武系地層中卻鮮有后生動物化石的蹤影。

這也激發了人們更多的疑問：寒武紀大爆發因何發生？地球生命在經歷了30多億年的緩慢演化后，為什么突然在寒武紀早期出現各種復雜的動物？前寒武紀地層中究竟有沒有留下這些復雜動物的祖先化石？如果有，它們到底是什么模樣？

這些懸而未決的問題長期以來是古生物學和演化生物學研究的前沿課題。想要回答這些問題，則必需在研究6億年前后地球環境背景的同時，尋找前寒武紀后生動物化石記錄，追溯寒武紀大爆發的源頭。然而寒武紀之前的地質記錄中多細胞動物的化石記錄十分稀有，而且著名的埃迪卡拉動物群（距今5.75-5.41億年）的宏觀生物又被認為和寒武紀出現的動物沒有直接的親緣關系，只是生命演化史上一次失敗了的創新實驗。因此找到寒武紀之前，尤其是早于埃迪卡拉生物群的動物化石記錄，對了解動物在地球上的起源時間和過程都十分重要。

“貴州始杯海綿”標本，就為前寒武紀時期多細胞動物的化石記錄提供了新的重要例證。在不遠的將來，隨著前寒武紀時代更多古老動物化石的發現，寒武紀大爆發的秘密會真正揭開。

重建了該化石的三維結構圖像

研究團隊把“貴州始杯海綿”放在最先進的大型科學裝置同步輻射光源下觀察，并且使用了目前最先進的三維無損成像方法，在不損害化石的情況下，重建了該化石的三維結構圖像，讓人們可以360度觀察它。