贵州瓮安生物群中或存在动物“祖先的祖先”


科研人员在研究瓮安生物群“胚胎”化石

瓮安生物群“胚胎”化石显微图

瓮安生物群“胚胎”化石样本

地球上最早的“蛋”——也就是“胚胎”化石,上世纪末有科学家发表论文称在贵州瓮安生物群中发现了其踪影。

但是,关于这些化石的争论从来都没有停止过。它们到底属于何种动物的胚胎?它们到底属于动物还是藻类?

9月25日,来自中科院南京地质古生物所的博士生陈雷和庞科向记者展示,十多年来被称之为地球最早的胚胎化石,实际上是一种具有细胞分化的多细胞真核生物。它们有可能是一种干群动物,或者某种多细胞真核藻类。而干群动物是动物“祖先的祖先”。

这个全新的发现使人们对多细胞生物早期演化的真相又近了一步,理所当然地被国际权威刊物《自然》采用并于当日在线发表。

为啥最早的“蛋”饱受争议

要了解最早的“蛋”,一切还得从瓮安生物群说起。

上世纪70年代中期,中国的科学家们在贵州瓮安的岩石中发现了埃迪卡拉纪陡山沱组生物群(注:埃迪卡拉纪是一个地质年代,一般指620—542百万年前;陡山沱组则是一种以组为岩石地层单位的地层结构)。这是全球已知的最古老的多细胞动物化石。

瓮安生物群是全世界科学家研究多细胞真核生物早期演化的一个重要窗口,其化石以磷酸盐化的形式保存了精美的细胞结构。

1998年,有科学家在《自然》杂志上发文,称在瓮安生物群中发现一类球状化石,它们呈等体积细胞分裂,也就是一分二、二分四,而细胞总体积不变,单个细胞体积呈指数递减,论文将其解释成动物胚胎。

如果这些动物胚胎化石证据确凿,那么它们不仅为我们提供了最古老动物化石证据,也为揭示早期动物起源模式提供了新思路。

然而,藻类等多种类群的生物也具有类似的特征,甚至有学者认为它们属于原生动物,如中生粘菌虫或硫细菌。因此该假说一直备受争议。

自此以后,这些被称为最早的胚胎化石,一方面备受学界关注和争议,一方面又在国外学者甚至教科书中广泛流行。

想要打破这种饱受质疑的假说,必须找到更有说服力的化石。由于以前报道的化石结构简单,只有类似胚胎发育早期的序列。找到发育后期的具有更多特征的化石,才是判定其究竟属于动物胚胎还是其它类型生物的关键。

用“土办法”找到新证据

“从颜色上看,瓮安的磷块岩有黑色和灰色之分。在以往的研究中,大家都把灰色磷块岩作为主要研究对象。”陈雷说:“但是,我们另辟蹊径,选取了以前容易被人们忽视的黑色硅质磷块岩为研究对象。”

“这种岩石之所以是黑色,是因为含有硅质的原因。因此,相比灰色磷块岩,它是有机的,细节也保存的更完好精美。”陈雷的导师袁训来介绍。

在过去的二十年里,中外学者都采用酸蚀法从灰色磷块岩中分离得到化石,这种方法的好处是化石呈三维立体,直观易辨识,而且保存精美。

但是,除了好看一些以外,科学家们并没有从中得到更多有价值的发现。

“为什么不换一个思路呢?”陈雷说,他们想到了用最“古老”的土办法——研磨。通过把岩石研磨成30—50微米的薄片,之前还像个煤块一样的黑色硅质磷块此刻已薄如蝉翼,陈雷等总共研磨制作了1000余片的薄片,每片上都有上百个化石。

在显微镜下观察,他们不仅发现了具有以前所报道的等体积细胞分裂特征的化石,还发现了其他一些具有细胞分化特点的化石。这些化石具有奇特的分化特点——内部细胞在分裂到数百个之后,出现了营养细胞和繁殖细胞的分化。并且繁殖细胞包裹在一个囊壳内,一直进行细胞分裂和生长,细胞数可达到了数百数千个,形成“繁殖体“,在图片上呈现出深色的一团。其他细胞则被称为营养细胞。随着繁殖体的增大,由于生物总体积是不变的,营养细胞就会牺牲自己为繁殖体腾出生长空间,发生程序性的死亡。

“胚胎发育过程中不可能出现一部分细胞死亡的现象,这就基本推翻了之前胚胎化石的假说。”袁训来说:“它也不同于河蚌,水母等冠群动物,这是一种非常奇特的生物,从没有见过的生物。”

为寒武纪生命大爆发提供生物基础

这是一个令人激动的全新发现。可以推断,这种6亿年前的生物确切地属于有细胞分化的多细胞真核生物。

它有可能是一种干群动物,或者某种多细胞真核藻类。而干群动物是动物“祖先的祖先”,因此,这个发现使人们对多细胞生物早期演化的真相又近了一步。

“不论它是哪一种生物,它所具备的特征都为后来的寒武纪生命大爆发提供了很好的生物基础。”袁训来说。

陈雷说,目前所观察到的只是这种多细胞真核生物的成熟期,至于它们如何再分化成一个个新生命体的,还需要更多的材料和证据。

这就好比是科学家们目前只发现了蛋孵化成小鸡,但是小鸡如何长大,长大后又如何再下蛋过程并不知道。

关于这类化石的研究还远未停止,未来的研究需要更多的证据才能做出更为明确的解释。

“我们还需要继续观察更多的化石,发现它们一个完整的生命轮回过程,才能判断它们究竟是干群动物还是藻类,如果运气好或许会很快。”陈雷说。

相关报道:谁丢了6亿年前的“胚胎”?

(化石网报道)据中国科学报(冯丽妃):它们的个头约摸小米粒儿般大小,躺在我国贵州瓮安埃迪卡拉系陡山沱组磷块岩中,一“睡”就是6亿年。

睡梦中的它们恐怕还不知道,自己已困扰了古生物学界十几年。

几天前,中科院南京地质古生物所早期生命研究团队发表在《自然》杂志上的一篇文章,使这群“睡梦中”的史前来客再次引起全球古生物学界的骚动,把人类对它们的认识再向前推进了一步。

16年的争议

1998年,两篇同时发表在《自然》和《科学》杂志上的文章,让中国瓮安生物群走进了全球古生物学研究的视野。全球古生物学家对瓮安磷块岩中的“小米粒儿”寄予了厚望。

个中缘故是,距今5.42亿年到5.3亿年的寒武纪生命大爆发是古生物学研究的一大“悬案”:这一时期,门类众多的无脊椎动物化石如节肢动物、软体动物、腕足动物等几乎“同时”“突然”出现在寒武纪地层中,而寒武纪之前的动物化石却凤毛麟角。

“寒武纪动物的祖先是什么样子的?它们又是如何演化的?瓮安生物群就是找寻动物祖先的关键化石窗口。”此次论文第一作者、南京古生物所博士陈雷告诉本报记者。瓮安生物群不仅化石精美,而且细胞甚至是亚细胞级的结构都得到完整保存。

尽管如此,由于这些化石结构简单,有关它们的血缘归属问题仍迟迟未能解开。为了求得真相,国内外研究人员陆续提出各种解释:有人认为它们是最早的动物胚胎,有人认为是原生动物,有人认为是最早的团藻、中生粘菌虫或硫细菌……

“在各种解释中,动物胚胎受到的关注度最高。”该论文通讯作者、中科院南京古生物所研究员袁训来告诉《中国科学报》记者。如果可以证实,它们不仅可以提供最古老动物化石的证据,还可以为揭示早期动物起源模式提供新思路。

这些史前的“胚胎”究竟是什么?16年来,国内外学者探索未断,答案却始终未明。

抽丝剥茧的发现

多年探索未果,科研人员只好另辟蹊径。

“好的材料是科学研究的基础,解决问题的关键还是寻找发育后期的化石材料,工作还是要从野外做起。”陈雷说。

这一次,陈雷与该所博士生庞科在导师袁训来、周传明和肖书海的指导下,放弃了以往的灰色磷块岩,转而从被忽视的黑色硅质磷块岩中寻找化石样本。研究方法也由原来的酸蚀浸泡法,变成对岩石进行切片观察。

他们把化石背回来,切成数千片30~50微米厚的薄片。通过这种研究方法,他们发现化石内部不仅具有以往研究发现的内部细胞分裂特征,还发现了一个此前从未被发现的新特征——这些内部细胞发生了分化。

“从切片中可以观察到,化石内部的细胞分裂到数百个之后,出现了营养细胞和繁殖细胞的分化,这说明这类胚胎化石完全不同于我们已知的生命进化树中的高级分类单元。”袁训来说。

通过细胞分化的这个特点,研究人员确定了这些细胞属于多细胞真核生物。他们否定了这类化石可能是团藻、中生粘菌虫、原生动物和硫细菌的说法,同时否定了它们是节肢动物、腔肠动物、软体动物和海绵动物等冠群动物胚胎的说法。

谜团仍待解开

尽管这项研究为了解瓮安生物群化石提供了进一步的新证据,找到一个很有潜力的研究方向,也为揭示早期动物起源模式提供了新思路,但这些化石的确切亲缘关系当前很难归到某个已知的生物类群。

“证据表明这些化石不是动物胚胎,不是冠群类动物,但有可能是干群动物;不是团藻,但仍有可能是和团藻类似的某种绿藻。”陈雷说。冠群动物是动物祖先及其所有后裔组成的单系群,而干群动物则是所有动物祖先的“祖先”。他解释道。

研究人员表示,研究还远未停止,未来的研究需要更多的证据才能作出更为明确的解释。确认这些化石处于生命进化树的哪一部分,仍是课题组下一步的研究目标。

“如果把这类生物的整个生命周期看成一个完整的圆,我们现在只是知道了这个圆前半部分,还不知道从这次新发现发生的细胞分化阶段怎样回到开头的单细胞受精卵。”陈雷表示,下一步的研究任务就是把这个圆画完整,确认“小米粒儿”究竟是动物还是植物,又是哪种动植物。


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95919000:2017-12-17 21:34:47