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教科書又要改寫了?這條蟲子的出現(xiàn),是動物早期演化史的巨大飛躍

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中國科協(xié)、中科院攜手“互聯(lián)網(wǎng)+科普”平臺,深耕科普內(nèi)容創(chuàng)作
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作者:中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所

文章來源于科學(xué)大院公眾號(ID:kexuedayuan)

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對稱、分節(jié)、運動……這些特征對大多數(shù)現(xiàn)代動物來說,已經(jīng)成為它們的“標(biāo)配”。然而在五億五千萬年前,這些特征才第一次同時“裝配”在動物身體上:一條奇特的蟲子長眠在行進途中,它兩側(cè)對稱的分節(jié)形態(tài)和最后行跡同時留在了埃迪卡拉紀(jì)的海底。

這是中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所早期生命研究團隊在三峽地區(qū)埃迪卡拉紀(jì)地層中的新發(fā)現(xiàn),該研究為探索早期動物的演化提供了重要證據(jù)。相關(guān)論文于2019年9月4日發(fā)表在英國Nature雜志上。

動物演化中的重要事件:

兩側(cè)對稱和身體分節(jié)

動物演化概略圖,顯示動物演化中的重要事件(圖片來源:南京古生物所制作)

身體兩側(cè)對稱和分節(jié)現(xiàn)象的產(chǎn)生是動物演化史上極為重要的事件。分節(jié)的出現(xiàn)意味著身體的結(jié)構(gòu)有了分區(qū),功能上也就有了分工。但是,這類體型復(fù)雜的動物何時出現(xiàn)?自達爾文以來,一直是古生物學(xué)家和演化生物學(xué)家關(guān)注的焦點。

TIP:

兩側(cè)對稱的意義:使動物的身體有了明顯的背腹、前后和左右之分。動物的運動從不定向趨向定向,神經(jīng)系統(tǒng)和感覺器官也逐漸集中于身體前端,這些變化促進了動物頭部化的產(chǎn)生。

身體分節(jié)的意義:動物身體分節(jié),體外分節(jié),體內(nèi)也相應(yīng)分節(jié),而且許多內(nèi)部器官如循環(huán)、排泄、神經(jīng)等也表現(xiàn)出按體節(jié)重復(fù)排列的現(xiàn)象,不僅增強了動物運動機能,而且對促進動物體的新陳代謝,增強對環(huán)境的適應(yīng)能力,有著重要意義。因此分節(jié)現(xiàn)象是無脊椎動物在進化過程中一個極重要的標(biāo)志。

“寒武紀(jì)大爆發(fā)”中出現(xiàn)了大量的以三葉蟲為代表的具分節(jié)的兩側(cè)對稱動物,因此,寒武紀(jì)常被稱為“三葉蟲時代”,長期以來,大家推測在寒武紀(jì)之前的埃迪卡拉紀(jì)(中國稱為“震旦紀(jì)”,6.3-5.4億年前),它們應(yīng)該有更加古老的祖先,但是一直沒有找到可靠的化石證據(jù)。

寒武紀(jì)大爆發(fā)時動物多樣性快速增加(圖片來源:楊定華繪制)

三峽埃迪卡拉紀(jì)地層的新發(fā)現(xiàn)

近期,中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所早期生命團隊陳哲研究員、周傳明研究員、袁訓(xùn)來研究員和弗吉尼亞理工大學(xué)肖書海教授報道,在中國三峽地區(qū)大約5.5億年前的地層中發(fā)現(xiàn)了一類特殊保存的新的動物化石,該動物的遺體和它最后行進的拖痕(印跡)同時保留在一塊巖石上。

夷陵蟲化石(BF)和死亡前形成的遺跡(TF)(圖片來源:南京古生物所)

這一新的化石證據(jù)表明在埃迪卡拉紀(jì)已出現(xiàn)了具有運動能力、并且身體分節(jié)的兩側(cè)對稱后生動物。該成果以“分節(jié)的三葉形兩側(cè)對稱動物及其遺跡揭示早期動物的演化”為題發(fā)表在2019年9月4日的英國《自然》(Nature)雜志上。

從化石產(chǎn)地遠眺三峽大壩(圖片來源:南京古生物所)

化石發(fā)現(xiàn)于湖北三峽地區(qū)埃迪卡拉紀(jì)燈影組的石板灘生物群中。自2013年開始,科研人員用了近5年的時間對新發(fā)現(xiàn)的化石進行詳細的研究,并將其命名為夷陵蟲(Yilingia,新屬)。

夷陵蟲的實體化石,顯示生物體已經(jīng)有前、后的區(qū)分(圖片來源:南京古生物所)

夷陵蟲身體長條形,兩側(cè)對稱,呈三葉形,具有明顯的身體分節(jié),也具有了前后和背腹的區(qū)別。更加奇特的是,部分標(biāo)本中動物的實體與它的遺跡同時保存在一起,再現(xiàn)了一條行進中的蟲子的“最后時刻”。

TIP: 遺跡化石與造跡生物

雖然在埃迪卡拉紀(jì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多的遺跡化石,但是,造跡生物是什么一直是一個謎。由于遺跡化石形態(tài)變化很大,只有一些特殊的情況,我們才能準(zhǔn)確的確定造跡生物的類型。而遺跡化石與體化石相連保存在一起,是最直接和直觀的證據(jù)。新報道的化石具有明確的造跡生物以及活動的遺跡。

夷陵蟲的遺跡化石,你能看出它們與實體化石區(qū)別嗎?(答案見文末)(圖片來源:南京古生物所)

這是一類全新的動物化石,在地質(zhì)歷史時期和現(xiàn)代都沒有發(fā)現(xiàn)形態(tài)相同的動物,研究者以它的發(fā)現(xiàn)地點湖北省宜昌市夷陵區(qū)給它取了一個新名字“夷陵蟲”,推測可能是環(huán)節(jié)動物或節(jié)肢動物。

夷陵蟲的出現(xiàn)

動物早期演化史上的巨大飛躍

傳統(tǒng)的埃迪卡拉生物群曾被認(rèn)為是身體沒有真正分節(jié)、缺乏運動能力、走向演化盲端的生物類群。雖然在埃迪卡拉紀(jì)也發(fā)現(xiàn)了許多生物運動產(chǎn)生的遺跡化石,但是,造跡生物是什么一直是一個謎。

典型的埃迪卡拉生物化石(圖片來源:Trends in Ecology & Evolution)

TIP: 埃迪卡拉紀(jì)生物的典型特征

長相奇特,顯生宙和現(xiàn)生沒有相似的生物。

埃迪卡拉生物多具有“分形”的特征,沒有真正的結(jié)構(gòu)分工。

絕大多數(shù)為底棲固著生長,缺少主動活動能力。

缺乏頭、尾、附肢、眼、口…

至寒武紀(jì)基本全部絕滅。

夷陵蟲是目前在寒武紀(jì)之前發(fā)現(xiàn)的唯一的身體分節(jié),具有運動能力,并可以形成連續(xù)的遺跡的兩側(cè)對稱動物。夷陵蟲的發(fā)現(xiàn)為兩側(cè)對稱動物身體分節(jié)在埃迪卡拉紀(jì)的出現(xiàn)提供了直接的化石證據(jù),也為探索該時期眾多遺跡化石的造跡者提供了重要證據(jù)。

夷陵蟲實體(左)、遺跡(右)和化石復(fù)原(中)(圖片來源:南京古生物所)

該發(fā)現(xiàn)也顯示,能夠自由運動的底棲動物在埃迪卡拉紀(jì)已經(jīng)出現(xiàn),并對海底沉積物進行了改造。表明“寒武紀(jì)大爆發(fā)”時期以底棲動物為主體的生態(tài)系統(tǒng)在這一時期已經(jīng)開始建立,并逐漸取代了前寒武紀(jì)統(tǒng)治地球數(shù)十億年的微生物席基底,對地球表面系統(tǒng)造成了深遠的環(huán)境和生態(tài)影響。

大家來猜猜這個蟲子有沒有頭?(圖片來源:南京古生物所)

實體化石與遺跡化石有啥區(qū)別

1. 遺跡化石中動物對沉積物進行了搬運,如:“堤”狀結(jié)構(gòu)是動物在爬行過程中,將沉積物推向身體的兩側(cè),沿動物身體兩側(cè)形成線形的堆積;

2. 遺跡化石可以切穿原有的沉積結(jié)構(gòu),如切穿已有化石,而實體化石一般表現(xiàn)為疊覆在原有沉積物或化石之上;

3. 遺跡化石一般較長,但一般具有穩(wěn)定的寬度,也常有一些相似結(jié)構(gòu)重復(fù)出現(xiàn);

4. 遺跡化石中沉積物表面爬跡,在頂層面為凹陷,后期沉積物覆蓋,形成半浮雕,而實體化石會形成鑄型,三維立體保存;

5. 遺跡化石為原地埋藏(糞化石除外),而不會象實體化石一樣可以經(jīng)過搬運而形成定向排列。

該項目得到了中國科學(xué)院、國家科技部、國家自然科學(xué)基金委、美國自然科學(xué)基金和美國國家地理學(xué)會的聯(lián)合資助。

論文信息:Zhe Chen, Chuanming Zhou, Xunlai Yuan*, Shuhai Xiao*, 2019, Death march of a segmented and trilobate bilaterian elucidates early animal evolution, Nature,https://doi.org/10.1038/s41586-019-1522-7