編者按

2006年6月16日，中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所和中國科學院高能物理研究所聯(lián)合宣布，他們找到了前寒武紀動物演化的有力證據(jù)。

這一發(fā)現(xiàn)，不僅填補了前寒武紀后生動物演化研究空白，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)寒武紀大爆發(fā)理論，也“圓了達爾文的夢”。

2006年6月16日，北京的一場新聞發(fā)布會，引起了全球的關(guān)注。

這天，中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所和中國科學院高能物理研究所聯(lián)合宣布，在對貴州甕安多細胞動物胚胎化石的外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行研究分析后，科學家確認了“具極葉胚胎”這類特殊動物胚胎的存在，從而進一步證實早在5.8億年前地球上就出現(xiàn)了兩側(cè)對稱動物。

這項研究由南京地質(zhì)古生物研究所陳均遠研究員和高能物理研究所黎剛研究員合作，聯(lián)合我國臺灣和美國、歐洲的科學家共同完成。題為《中國西南地區(qū)前寒武紀磷酸鹽巖化具極葉胚胎化石》的論文當天在美國《科學》雜志上發(fā)表。

這項重磅成果的發(fā)布，意味著中國科學家找到了前寒武紀兩側(cè)對稱動物演化的有力證據(jù)，將后生動物存在的證據(jù)提早到寒武紀以前，圓了達爾文的“夢”。

達爾文之困：“一夜之間”冒出來的復雜生命

1859年，達爾文發(fā)表了著名的《物種起源》，創(chuàng)立了進化論。然而，自進化論誕生之日起，就不斷受到學者的質(zhì)疑和神學家的猛烈攻擊。

其中，最令達爾文及追隨者困惑的就是“寒武紀生命大爆發(fā)”：在地球上沒有發(fā)現(xiàn)任何寒武紀之前的動物化石，但到了寒武紀卻出現(xiàn)了三葉蟲等復雜動物，它們好像“一夜之間”突然冒了出來。

按照他的進化論，生物進化經(jīng)歷了從簡單到復雜的漫長演變過程。“寒武紀生命大爆發(fā)”顯然和達爾文的理論不匹配。神學家們據(jù)此宣揚，“寒武紀生命大爆發(fā)”印證了“上帝造物”的觀點。

達爾文深知前寒武紀動物化石“零紀錄”問題的嚴重性，但對此百思不得其解。在《物種起源》第六版中，他寫道：“這件事到現(xiàn)在為止還沒有辦法解釋，所以或許有些人正好可以利用這個案例來駁斥我提出的演化論點。”

當時，達爾文猜想：前寒武紀的動物化石不是沒有，而是還沒有被發(fā)現(xiàn)。但這個解釋在此后100多年里引起很大爭議，被稱為“達爾文之困”。

到底是達爾文的進化論錯了，還是我們真的還沒有找到前寒武紀生物化石？此后一個多世紀，為破解“達爾文之困”，古生物學家們努力在前寒武紀地層中找尋動物的遺跡。

甕安生物群：動物歷史黎明時期的全景

1998年，中國古生物學家在破解“達爾文之困”中取得突破。

這一年初，中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所研究員陳均遠等人在美國《科學》雜志上發(fā)表論文宣布：最古老的動物化石群在中國貴州甕安被發(fā)現(xiàn)。他們在比埃迪卡拉化石群更為古老的含磷地層中，發(fā)現(xiàn)了遠古海綿動物的卵、胚胎、幼蟲和成年個體化石。幾乎同一時間，一個由哈佛大學與北京大學科研人員組建的合作團隊在英國《自然》雜志上也報道了動物胚胎化石的發(fā)現(xiàn)。

1998年在甕安發(fā)現(xiàn)的胚胎化石

來源 | 北京科技報微信公眾號

甕安生物群的發(fā)現(xiàn)，成為前寒武紀存在動物化石的有利證據(jù)，為破解“達爾文之困”創(chuàng)造了可能，被國外知名演化生物學家譽為20世紀演化論的最重大成就之一。

美國《科學》雜志評論稱“它將有可能向我們展現(xiàn)動物歷史黎明時期的全景”。美國《華盛頓郵報》評價稱“這一新發(fā)現(xiàn)打開了尋找古老動物化石記錄的新途徑。這好像是蒙在眼前的迷霧突然消散。”

然而，這些動物化石仍然處于動物演化的初級階段，那么當時是否出現(xiàn)了更復雜的動物——兩側(cè)對稱動物（蜘蛛、蝴蝶、恐龍和人類都屬于兩側(cè)對稱動物）？當時還無人能回答。

直到2003年，陳均遠等人終于在甕安發(fā)現(xiàn)了10塊保存精美、約0.2毫米長的具有真體腔的兩側(cè)對稱動物成年個體化石。陳均遠將這種對稱動物稱為“小春蟲”，以紀念這種在地球走出漫漫嚴冬、動物生命春光乍現(xiàn)時刻誕生的小東西。

“小春蟲”出現(xiàn)的時間，比寒武紀要早4000多萬年，它們復雜的兩側(cè)對稱結(jié)構(gòu)顯示：動物前后和背腹軸分化所需要的基因工具包早在寒武紀之前就已演化出現(xiàn)。

“真體腔動物的起源仍然是科學之謎，'小春蟲'這一古老真體腔兩側(cè)對稱動物化石的發(fā)現(xiàn)，將為探索真體腔動物的起源提供重要線索，表明真體腔可能是兩側(cè)對稱動物的一個古老特征。”陳均遠說。

2004年在甕安生物群發(fā)現(xiàn)最古老的兩側(cè)對稱

動物“小春蟲”藝術(shù)復原圖

來源 | 科技日報

古生物學“牽手”同步輻射技術(shù)：給甕安化石照“X 光”

“小春蟲”的發(fā)現(xiàn)震驚了世界，但也引起了專家們的論戰(zhàn)，有人完全贊同，有人則質(zhì)疑支持“小春蟲”是具有真體腔兩側(cè)對稱動物的證據(jù)不夠充分。

動物胚胎在受精后進入卵裂發(fā)育階段。兩側(cè)對稱動物的胚胎卵裂有輻射卵裂和螺旋卵裂兩種，而螺旋卵裂胚胎中有一類會在早期細胞分裂過程中發(fā)育一種被稱為“極葉”結(jié)構(gòu)的細胞質(zhì)球，而這種胚胎也被稱為“具極葉胚胎”，比如很多貝殼（軟體動物）胚胎發(fā)育過程中就會產(chǎn)生極葉結(jié)構(gòu)。對于陳均遠等人來說，要回答甕安胚胎化石中是否存在兩側(cè)對稱動物的胚胎，那么尋找“具極葉胚胎”就是一個不錯的途徑。

時間回到1998年。這一年，甕安生物化石群發(fā)現(xiàn)的消息在報紙上披露，引起了中國科學院高能所的高能物理學家冼鼎昌院士的興趣。冼鼎昌的研究領域是同步輻射應用，但他對古生物學有濃厚的興趣。他一直在思考同步輻射如何在化石研究中應用。

1999年的全國政協(xié)會議上，冼鼎昌在科技組會上做了一個發(fā)言，其中提到甕安化石群發(fā)現(xiàn)的重大意義。散會后，冼院士找到了陳均遠教授的房間，兩個同樣對揭開動物黎明時期全景充滿興趣和熱情的科學家一拍即合。

由于絕大多數(shù)的甕安化石是卵和胚胎，保存了大量有關(guān)早期動物的發(fā)育生物學信息，所以分析胚胎化石的發(fā)育過程，意義非常重大。但甕安胚胎化石大多很小，直徑只有0.3—0.8毫米。如何使體積如此小的胚胎化石清晰成像，冼鼎昌院士想到了給甕安化石照“X 光”。但不能使用常規(guī)工業(yè)X光機，因為它的成像分辨能力最好也只有毫米的量級，無法解析胚胎化石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。而同步輻射成像技術(shù)正好具有足夠強度的短波長X光和優(yōu)良的成像分辨能力。

于是，冼鼎昌等人把這種技術(shù)應用到甕安化石的三維無損成像研究中，在不損壞化石的情況下，把亞毫米大小的胚胎內(nèi)部結(jié)構(gòu)拍得一清二楚，并且給出了高精度的三維圖像。他們首次清晰地觀察到了極葉結(jié)構(gòu)和胚胎細胞之間的頸狀通道，并首次建立了具極葉胚胎化石的早期發(fā)育序列，最終確認了具極葉胚胎的存在。

具極葉結(jié)構(gòu)的動物胚胎化石，三葉期極葉胚胎化石由AB細胞、CD細胞和極葉（pl）組成

來源 | 中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所官網(wǎng)

當古生物學“牽手”同步輻射三維無損成像技術(shù)，中國科學家最終用證據(jù)回應了質(zhì)疑，從而打破了“動物在寒武紀早期才突然出現(xiàn)”的傳統(tǒng)觀念，為達爾文的進化論提供了一個非常有力的證據(jù)。

相關(guān)專家曾評價稱，中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所陳均遠等人的發(fā)現(xiàn)表明兩側(cè)對稱動物具有的胚胎發(fā)育模式已經(jīng)在前寒武紀出現(xiàn)，而且暗示未來在甕安生物群中還可能找到更多有關(guān)后生動物化石的記錄，這為后續(xù)的研究工作點亮了曙光。

2015年，中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所研究員朱茂炎領銜的課題組在《美國科學院院刊》上發(fā)文宣布，他們在甕安生物群中發(fā)現(xiàn)了一枚6億年前的原始海綿動物化石，是迄今全球發(fā)現(xiàn)最早的保存有細胞結(jié)構(gòu)的原始海綿動物實體化石。這個被命名為“貴州始杯海綿”的生物，成為甕安生物群又一個“成年”動物。

2020年，中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所科研團隊宣布，他們在云南“澄江動物群”中發(fā)現(xiàn)了一種5億多年前長有五只眼睛的蝦形化石，這種被稱為“章氏麒麟蝦”的生物，代表了達爾文進化論預言的重要過渡型物種，給生物進化論增添了又一個強有力的化石證據(jù)。

科學研究無止境。如今，甕安生物群的化石產(chǎn)地正在地方政府的努力下得到了非常好的保護，中國科學家對甕安生物群的研究還在繼續(xù)。相信未來還會有更多的成果出現(xiàn)，幫助人類探尋寒武紀生命大爆發(fā)的源頭，揭開動物起源之謎，講好地球生命演化的故事。

審核單位：中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所

參考文獻：

[1]達爾文的猜想是怎樣被證實的[N].科技日報,2006-06-20(005).

[2]我國科學家證實:5.8億年前就已出現(xiàn)兩側(cè)對稱動物[N】,新華網(wǎng),2006-06-16.

[3]中國科學家發(fā)現(xiàn)最古老多細胞動物化石“小春蟲”[N],中新網(wǎng),2004-06-05

[4]我國發(fā)現(xiàn)世界最早動物化石 佐證達爾文進化論[N],北京晨報,2006-06-17.

[5]科學家發(fā)現(xiàn)迄今最古老原始動物化石[N],光明日報,2015-03-11.

[6]來看《自然》《科學》多少次報道被挖毀的甕安化石，就知道科學家為啥急了[OL],北京科技報微信公眾號,2017-04-21.

[7]用億萬年前化石解碼動物起源秘密[N],南京日報，2022-05-26.

中國科學家博物館出品