話說(shuō)6億年前的動(dòng)物胚胎

文/袁訓(xùn)來(lái)

在貴州省中部地區(qū)，有一個(gè)面積1974平方千米、人口40多萬(wàn)的小縣——甕安縣。20世紀(jì)末，因?yàn)樵诳h城西南16千米處的甕安縣磷礦地區(qū)發(fā)現(xiàn)了距今6億年的動(dòng)物胚胎化石，使甕安這個(gè)偏居一隅的小縣城備受矚目，也震撼了整個(gè)生物學(xué)界。

現(xiàn)生動(dòng)物進(jìn)行有性生殖都要經(jīng)過(guò)“胚胎”發(fā)育這一過(guò)程：卵子受精后形成受精卵，或稱為合子，絕大多數(shù)合子發(fā)育都會(huì)由一個(gè)細(xì)胞分裂成2個(gè)、4個(gè)、8個(gè)乃至2n個(gè)細(xì)胞，直到有細(xì)胞分化、組織分化和器官分化，在長(zhǎng)成幼蟲(chóng)前都被統(tǒng)稱為胚胎發(fā)育階段。我們熟知的“蛋”和“籽”絕大部分是胚胎。

無(wú)獨(dú)有偶，在貴州省甕安磷礦距今約6億年的巖石中就保存了代表動(dòng)物胚胎發(fā)育全過(guò)程的化石標(biāo)本。這些動(dòng)物胚胎是如何發(fā)現(xiàn)的？為什么認(rèn)為它們是動(dòng)物的胚胎而不是別的生物？要知道，6億年前是一個(gè)非常遙遠(yuǎn)的過(guò)去，地球上就連可靠的動(dòng)物化石都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，更何況是胚胎呢！而且這里保存的胚胎化石之豐富，是令人難以想象的。以甕安磷礦七八十平方千米、平均厚度七八米的含胚胎化石的巖石（在很多地方的富集層，胚胎化石超過(guò)巖石總重量的40%）計(jì)算，動(dòng)物胚胎化石應(yīng)該數(shù)以億噸計(jì)！

對(duì)甕安動(dòng)物胚胎的解釋有一個(gè)認(rèn)識(shí)過(guò)程。在20世紀(jì)90年代初，古生物學(xué)家用醋酸（日常用醋的主要成分就是醋酸）浸泡甕安磷礦石時(shí)，發(fā)現(xiàn)醋酸溶解后的殘留物中含有無(wú)數(shù)球形顆粒，直徑在0.5毫米左右，用掃描電子顯微鏡（能分辨出納米級(jí)的結(jié)構(gòu)）進(jìn)行仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)這些球形顆粒的最外面有一層殼，其上有不規(guī)則的瘤狀裝飾，絕大多數(shù)情況下瘤狀殼包裹著一個(gè)光球體，少部分標(biāo)本有2個(gè)、4個(gè)、8個(gè)、16個(gè)乃至2n個(gè)有規(guī)律出現(xiàn)的小球。毫無(wú)疑問(wèn)，單從這些特征就能夠肯定瘤狀球形物是生物化石，但究竟是何種生物的遺體呢？古生物學(xué)家通過(guò)與現(xiàn)代一些藻類進(jìn)行形態(tài)對(duì)比，認(rèn)為它們與綠藻門(mén)中的團(tuán)藻相類似，而與其他藻類形態(tài)相差較大，很自然就把它們歸入綠藻。

在當(dāng)時(shí)的研究中，把它們看作藻類而沒(méi)有往動(dòng)物胚胎方面去想，還有一個(gè)非常重要的原因，那就是藻類與其他植物一樣，細(xì)胞都具有細(xì)胞壁，較為容易形成化石，地質(zhì)記錄中就有很多植物和藻類細(xì)胞保存為化石；而動(dòng)物細(xì)胞沒(méi)有細(xì)胞壁，只有一層幾十納米厚的細(xì)胞膜，很難形成化石，所以地質(zhì)記錄中動(dòng)物細(xì)胞化石極為罕見(jiàn)。

大約在這些球狀化石被描述為藻類發(fā)表后的第三個(gè)年頭，另一些古生物學(xué)家對(duì)它們進(jìn)行了研究，認(rèn)為它們不是藻類化石，而是動(dòng)物的胚胎化石。他們是這樣分析的：藻類細(xì)胞在分裂時(shí)雖然也能產(chǎn)生2n個(gè)有規(guī)律出現(xiàn)的細(xì)胞集合體，但是每個(gè)分裂階段的細(xì)胞大小都是不變的；也就是說(shuō)，隨著細(xì)胞的增加，細(xì)胞集合體的體積也相應(yīng)地成倍增長(zhǎng)。但是，甕安的球形化石并不是這樣，細(xì)胞每分裂一次，單個(gè)細(xì)胞的體積就比母細(xì)胞減小1/2，而整個(gè)細(xì)胞聚合體的體積幾乎保持不變。這一特點(diǎn)與動(dòng)物胚胎的早期發(fā)育過(guò)程非常類似！由此，他們對(duì)甕安的球形化石做出了完全不一樣的結(jié)論：它們是6億年前動(dòng)物留下的胚胎！1998年，肖書(shū)海博士等人在英國(guó)著名學(xué)術(shù)刊物《自然》上以《新元古代磷塊巖中三維保存的藻類和動(dòng)物胚胎化石》為題發(fā)表了他們的研究成果，引起了強(qiáng)烈的反響。美國(guó)科學(xué)院院士、哈佛大學(xué)生物系的安德魯·諾爾教授認(rèn)為動(dòng)物胚胎的發(fā)現(xiàn)是我們認(rèn)識(shí)地球早期動(dòng)物演化的新窗口，已故國(guó)際著名演化生物學(xué)家、哈佛大學(xué)的斯蒂芬·古爾德教授在《紐約時(shí)報(bào)》上稱胚胎化石的重要性可以與20世紀(jì)50年代在加拿大岡福林特燧石中發(fā)現(xiàn)的前寒武紀(jì)化石相比擬，是20世紀(jì)古生物學(xué)的重要發(fā)現(xiàn)之一。

但這個(gè)有關(guān)胚胎化石的故事還只是一個(gè)開(kāi)始，當(dāng)時(shí)對(duì)胚胎的解釋也有很多值得質(zhì)疑和斟酌的地方。例如，在6億年前，動(dòng)物胚胎這種沒(méi)有堅(jiān)硬外殼、轉(zhuǎn)瞬即逝的微小生命體是如何保存為化石的？地質(zhì)記錄上沒(méi)有可靠的動(dòng)物成體化石之前，為何有如此數(shù)量眾多的胚胎化石？隨后的深入研究慢慢揭開(kāi)了這層神秘的面紗。一般的動(dòng)物胚胎即便在一個(gè)地方匯集，也很容易因腐爛和降解而面目全非，但甕安磷礦地區(qū)的胚胎卻經(jīng)歷了6億年的地質(zhì)作用還得以完美保存，這其中的秘密到底是什么？原因是這樣的。比方說(shuō)，新鮮的棗子很容易腐爛，但是經(jīng)過(guò)糖水浸泡后制成蜜餞就可以長(zhǎng)久保存。這些動(dòng)物的胚胎在這里沒(méi)有很快腐爛，主要是因?yàn)檫@些動(dòng)物的胚胎一來(lái)到世間，很快就被磷酸鈣“澆鑄”和“滲透”，在幾天甚至短短幾小時(shí)里，這些胚胎就變成了石頭，即便在水里翻滾和漂流，也能夠得以完整保存，并隨著其他沉積物成為巖石后永久地保存下來(lái)。

可以肯定，這數(shù)以億噸計(jì)的胚胎化石并不是短時(shí)間內(nèi)形成的，七八米厚、富含胚胎化石的巖層至少經(jīng)歷了數(shù)百萬(wàn)年甚至千萬(wàn)年的積聚。但是，為什么動(dòng)物都把“蛋”下在同一地區(qū)呢？除了長(zhǎng)期的堆積外，還與甕安磷礦地區(qū)的古地理位置有關(guān)。當(dāng)時(shí)該地區(qū)很可能是淺海中的一個(gè)“洼地”，其他周邊地區(qū)的胚胎化石經(jīng)過(guò)風(fēng)浪的搬運(yùn)，再沉積到這里。

其實(shí)，有關(guān)甕安磷礦胚胎化石最難解釋和最需要回答的問(wèn)題是：是何種動(dòng)物下的“蛋”？眾多古生物學(xué)家多年來(lái)都在努力尋找答案，但直到最近才取得突破性進(jìn)展——我們找到了這些胚胎連續(xù)發(fā)育到后期的化石證據(jù)，甚至可以看作是成體的標(biāo)本！

甕安生物群中盤(pán)狀卵裂的動(dòng)物胚胎化石

連續(xù)發(fā)育的胚胎和可能的成蟲(chóng)化石。具有同樣瘤狀裝飾的外殼表明它們是同一種動(dòng)物留下來(lái)的化石。

過(guò)去發(fā)現(xiàn)的化石只是2個(gè)、4個(gè)、8個(gè)、16個(gè)乃至2n個(gè)細(xì)胞的集合體，細(xì)胞沒(méi)有分化，每個(gè)細(xì)胞都完全相同。新發(fā)現(xiàn)表明，眾多細(xì)胞發(fā)育成一個(gè)螺旋狀生物體，它“躲藏”在瘤狀殼包裹內(nèi)，并在外殼上“鉆出”一連串的、順時(shí)針規(guī)則旋轉(zhuǎn)的小孔。這是一類未知而神奇的動(dòng)物，就目前來(lái)看，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一種現(xiàn)生動(dòng)物的身體構(gòu)型可以與之進(jìn)行對(duì)比。

前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，該時(shí)期的動(dòng)物胚胎幾乎是地球上出現(xiàn)的首批動(dòng)物代表，距今已有6億多年，它們與現(xiàn)代的動(dòng)物外貌相差懸殊是完全可以理解的。我們雖然不能直接與現(xiàn)代動(dòng)物進(jìn)行比較，但根據(jù)這些保存精美的結(jié)構(gòu)，還是能夠?qū)λ鼈兊男袨槁灾欢Ｎ覀兺茰y(cè)，這些螺旋排列的小孔對(duì)該動(dòng)物的取食、運(yùn)動(dòng)和排泄等功能可能起到了至關(guān)重要的作用：首先，它們是該動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)“器官”，可以想象，只要里面的動(dòng)物稍有動(dòng)靜，就會(huì)從螺旋排列的小孔中產(chǎn)生水流，水體的螺旋流動(dòng)能夠使得該微小動(dòng)物體向某一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)；其二，動(dòng)物可以借助小孔里的水體流動(dòng)跟外部環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和能量交換，一些細(xì)菌或細(xì)菌大小的有機(jī)顆粒會(huì)順著水體的流動(dòng)被動(dòng)進(jìn)入殼體內(nèi)部，從而被里面的動(dòng)物捕獲，動(dòng)物的代謝產(chǎn)物（或排泄物）也可以順著水流從小孔中排出殼外。還有一個(gè)特征值得一提，就是每個(gè)小孔的周圍都有一層較厚的邊緣，與外殼的瘤狀裝飾明顯不同，很可能是動(dòng)物的有機(jī)代謝產(chǎn)物在排出殼體后慢慢累積而成的。通過(guò)這一特征，可以推測(cè)該動(dòng)物（即使不是成體）在此狀態(tài)下已經(jīng)生活了較長(zhǎng)一段時(shí)間。

從進(jìn)化的角度來(lái)看，最早期動(dòng)物的身體結(jié)構(gòu)和功能很可能不夠完善，借助水流進(jìn)行被動(dòng)取食、排泄和運(yùn)動(dòng)是必要的，也是完全可以理解的。例如，我們熟知的海綿動(dòng)物也是地球上較早出現(xiàn)的動(dòng)物類型之一，它們從5.4億年前到現(xiàn)在，都是以過(guò)濾水流進(jìn)行被動(dòng)取食和排泄的。

經(jīng)過(guò)多年的深入研究，關(guān)于甕安磷礦發(fā)現(xiàn)的距今6億年的動(dòng)物及其胚胎化石已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。現(xiàn)在看來(lái)，還有一個(gè)問(wèn)題需要回答：那就是動(dòng)物是如何繁殖的！我們知道，動(dòng)物跟所有其他生物一樣，除了新陳代謝外，還需要繁殖后代。如果具有螺旋排列小孔的瘤狀球體是整個(gè)動(dòng)物成體的話，那么它又是怎么“下”出跟自己身體大小相差不大的“蛋”的呢？目前為止，對(duì)這一問(wèn)題還沒(méi)有答案。

毫無(wú)疑問(wèn)，在古生物研究領(lǐng)域最重要的是化石證據(jù)。但我在這里想說(shuō)的是，對(duì)地球上出現(xiàn)的最早期動(dòng)物的研究，在沒(méi)有合適的參照物的情況下，想象力可能更為重要。動(dòng)物和動(dòng)物胚胎在6億年前的甕安磷礦地區(qū)客觀存在著，也不用懷疑它們是生“蛋”和被生的“母子”關(guān)系。也許，解決這一奇特動(dòng)物的“繁殖”問(wèn)題最終依靠的是智慧！