消失的歲月終于被挖掘？ 科學(xué)家揭秘5.5億年前的“活化石”

出品：科普中國

作者：李金娟（早稻田大學(xué)）

監(jiān)制：中國科普博覽

編者按：為拓展認(rèn)知邊界，科普中國前沿科技項目推出“未知之境”系列文章，縱覽深空、深地、深海等領(lǐng)域突破極限的探索成果。讓我們一起走進(jìn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)之旅，認(rèn)識令人驚嘆的世界。

在生命演化的漫長歷程中，海綿動物的演化過程一直是一個引人入勝卻難解的謎題。海綿動物被認(rèn)為是地球上最早出現(xiàn)的多細(xì)胞動物之一，是連接單細(xì)胞生物和復(fù)雜動物的重要橋梁。然而，關(guān)于海綿動物的起源和早期演化，科學(xué)界一直存在巨大的認(rèn)知空白。

直到最近，中國科學(xué)家取得了一項重大突破，為解開這個謎題提供了關(guān)鍵線索。中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所袁訓(xùn)來研究員領(lǐng)導(dǎo)的國際合作團(tuán)隊，在湖北宜昌發(fā)現(xiàn)了一種距今約5.5億年的海綿化石，它被命名為“螺旋網(wǎng)格海綿”。

這一發(fā)現(xiàn)不僅填補(bǔ)了海綿動物早期演化的重要空白，更為我們重新審視整個生命演化歷程提供了全新視角。

螺旋網(wǎng)格海綿復(fù)原圖

（圖片來源：參考文獻(xiàn)2）

海綿動物：生命演化樹上的活化石

海綿動物，這個看似簡單卻又神秘的生物群體，在動物界中占據(jù)著獨(dú)特的地位。

海綿動物的身體結(jié)構(gòu)簡單，沒有明顯的器官系統(tǒng)，卻擁有令人驚嘆的生存能力。它們的身體就像一個巨大的過濾器，通過不斷吸入、排出水流來獲取養(yǎng)分和氧氣。這種簡單而高效的生存方式，使得海綿動物在地球上繁衍生息了數(shù)億年之久。

在現(xiàn)代海洋中，海綿動物的種類繁多，形態(tài)各異。有些海綿像精致的花瓶，有些則像巨大的桶或扇子。它們的顏色也十分豐富，應(yīng)有盡有。這些多姿多彩的海綿，不僅為海底世界增添了絢麗的色彩，也為海洋生態(tài)系統(tǒng)的平衡做出了重要貢獻(xiàn)。

形形色色的海綿動物

（圖片來源：維基百科）

難解謎題：海綿動物“消失的歲月”

盡管現(xiàn)代海綿動物如此普遍，但在地質(zhì)歷史中，它們的蹤跡卻長期處于“失蹤”狀態(tài)。這個現(xiàn)象讓科學(xué)家們困惑不已，猶如一個難解的謎題。

想象一下，如果你是一位古生物學(xué)家，正在尋找海綿動物的祖先。你興致勃勃地挖掘各個地質(zhì)年代的巖層，卻發(fā)現(xiàn)在距今約5.39億年的寒武紀(jì)之前，海綿動物的化石記錄幾乎是一片空白。這就好比一本厚重的家族史，前幾章的頁面全都不翼而飛了。

科學(xué)家們通過分子生物學(xué)研究和分子鐘推測，認(rèn)為海綿動物應(yīng)該起源于大約7億年前。然而，在實(shí)際的化石記錄中，確鑿的海綿化石直到寒武紀(jì)才大量出現(xiàn)。這意味著海綿動物的化石記錄存在長達(dá)1.6億年的巨大空白，這段時期被科學(xué)家們形象地稱為海綿早期演化中“消失的歲月”。

為什么會出現(xiàn)這樣的情況呢？科學(xué)家們提出了兩種主要的假說：

第一種假說認(rèn)為，海綿動物的共同祖先可能已經(jīng)具有礦化的骨針（海綿的支撐結(jié)構(gòu)）。但是，寒武紀(jì)之前的環(huán)境可能不利于這些骨針的保存，導(dǎo)致我們難以找到它們的化石。

第二種假說則認(rèn)為，早期的海綿動物可能根本就沒有礦化的骨針，而是由軟體組織構(gòu)成。這使得它們在成為化石的過程中更容易被破壞，也更難被我們識別出來。這就像是用水在巖石上作畫，很快就會蒸發(fā)消失，難以留下長久的痕跡。

這個謎題一直困擾著科學(xué)家們，直到最近的這項研究，為解開這個謎題提供了關(guān)鍵的線索。

現(xiàn)代石灰海綿綱海綿動物的各型骨針

（圖片來源：維基百科）

螺旋網(wǎng)格海綿：揭開海綿動物演化之謎的“羅塞塔石碑”

在湖北宜昌，距今約5.5億年前的石板灘生物群中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一件令人興奮的新化石。該化石被命名為“螺旋網(wǎng)格海綿”，它的發(fā)現(xiàn)猶如在茫茫歷史長河中找到了一個連接點(diǎn)，填補(bǔ)了海綿動物早期演化的空白。

螺旋網(wǎng)格海綿有著令人驚嘆的形態(tài)特征，它的身體呈現(xiàn)出優(yōu)雅的錐形，底部有一個盤狀的結(jié)構(gòu)，可能用來在海底固定。最引人注目的是它的表面結(jié)構(gòu)由規(guī)則的方格組成，這些方格又可以被細(xì)分成更小的方格，形成一種復(fù)雜而有序的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

螺旋網(wǎng)格海綿化石照片（a）與激光掃描高程圖（b）

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

這種結(jié)構(gòu)讓人聯(lián)想到現(xiàn)代的六放海綿，但有一個關(guān)鍵的區(qū)別：螺旋網(wǎng)格海綿的網(wǎng)格是由有機(jī)質(zhì)組成的，而不是礦化的骨針。

這個發(fā)現(xiàn)為我們提供了一個全新的視角來看待海綿動物的早期演化。它告訴我們，在遙遠(yuǎn)的埃迪卡拉紀(jì)晚期，已經(jīng)存在不具有礦化骨針的海綿動物。這就好比我們發(fā)現(xiàn)了一種“原始版本”的海綿，它還沒有發(fā)展出堅硬的骨針，但已經(jīng)具備了海綿動物的基本特征。

科學(xué)家們對螺旋網(wǎng)格海綿進(jìn)行了詳細(xì)的研究和分析。他們將此化石與各種現(xiàn)生動物和其他化石進(jìn)行比較，構(gòu)建了一個復(fù)雜的數(shù)據(jù)矩陣，并進(jìn)行了嚴(yán)格的系統(tǒng)發(fā)育分析。結(jié)果顯示，螺旋網(wǎng)格海綿屬于冠群海綿，并且與六放海綿的親緣關(guān)系較近。該發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證實(shí)了螺旋網(wǎng)格海綿在海綿動物演化歷程中的重要地位。

某種六放海綿綱動物，該綱動物具有硅質(zhì)骨針，有些骨針能聚合成網(wǎng)狀的骨架，骨骼中無海綿質(zhì)。因此本綱又稱為玻璃海綿。

（圖片來源：維基百科）

螺旋網(wǎng)格海綿的發(fā)現(xiàn)，為我們理解動物的早期演化提供了關(guān)鍵的信息。它告訴我們，在尋找前寒武紀(jì)的海綿化石時，我們不能僅僅以現(xiàn)代海綿為標(biāo)準(zhǔn)。早期的海綿可能沒有礦化的骨針，也可能缺少我們熟知的某些特征。這個發(fā)現(xiàn)拓寬了我們的視野，為未來的研究指明了新的方向。

海綿動物與生命大爆發(fā)：重新審視生命演化的歷程

螺旋網(wǎng)格海綿的發(fā)現(xiàn)，同時也為我們審視整個生命演化的歷程提供了全新的視角。長期以來，科學(xué)家們認(rèn)為前寒武紀(jì)和寒武紀(jì)的生物群落有著天壤之別。

埃迪卡拉紀(jì)被認(rèn)為是形態(tài)奇特、親緣關(guān)系不明的生物主導(dǎo)的時代。而到了寒武紀(jì)，各種現(xiàn)代動物門類突然大量出現(xiàn)，這就是著名的“寒武紀(jì)大爆發(fā)”。這種觀點(diǎn)就像是在描述兩個完全不同的世界：一個是充滿神秘生物的遠(yuǎn)古世界，另一個則是我們熟悉的現(xiàn)代海洋生態(tài)系統(tǒng)的雛形。

然而，螺旋網(wǎng)格海綿的發(fā)現(xiàn)，為這兩個看似割裂的世界之間搭建了一座橋梁。它告訴我們，在埃迪卡拉紀(jì)晚期，已經(jīng)存在著與現(xiàn)代動物有直接演化關(guān)系的生物。也就是說，古老的家族史中，一張連接古老祖先和現(xiàn)代后代的關(guān)鍵照片被找到了。

這個發(fā)現(xiàn)也讓我們重新思考“寒武紀(jì)大爆發(fā)”的本質(zhì)。也許，生命的演化并不是突然的“爆發(fā)”，而是一個漸進(jìn)的過程。在寒武紀(jì)之前，各種動物門類可能已經(jīng)開始分化，只是它們還沒有發(fā)展出堅硬的外殼或骨骼，因此難以在化石記錄中保存下來。

這項新發(fā)現(xiàn)也給我們帶來了更多的問題：在螺旋網(wǎng)格海綿之前，是否還存在更早的海綿動物？海綿動物的祖先們?nèi)绾潍@得礦化骨針的能力？這些問題的答案，可能隱藏在古老的巖層中，等待著未來的科學(xué)家去發(fā)現(xiàn)。

螺旋網(wǎng)格海綿和其他動物之間的演化關(guān)系

（圖片來源：參考文獻(xiàn)2）

結(jié)語

海綿動物的演化歷程，猶如一部跨越數(shù)億年的史詩。從最初的軟體結(jié)構(gòu)，到后來發(fā)展出復(fù)雜的礦化骨針，每一步都記錄著生命演化的奧秘。螺旋網(wǎng)格海綿的發(fā)現(xiàn)，為這部史詩增添了濃墨重彩的一筆，讓我們得以一窺遠(yuǎn)古海洋的神秘面貌。

在未來，隨著技術(shù)的進(jìn)步和新方法的應(yīng)用，我們或許能夠發(fā)現(xiàn)更多的早期動物化石，進(jìn)一步完善生命演化的圖景。海綿動物的故事，將繼續(xù)啟發(fā)我們思考生命的本質(zhì)，激勵我們探索未知的領(lǐng)域，追尋生命演化的奧秘。

參考文獻(xiàn)：

1.Xiaopeng Wang, Alexander G. Liu, Zhe Chen, Chengxi Wu, Yarong Liu, Bin Wan, Ke Pang, Chuanming Zhou, Xunlai Yuan & Shuhai Xiao, A late-Ediacaran crown-group sponge animal