在我們的印象中，5億多年前的寒武紀生命大爆發(fā)如同動(dòng)物搖籃——在很短的時(shí)間內，動(dòng)物化石記錄從無(wú)到有，并且迅速出現了眾多動(dòng)物類(lèi)群。盡管最近數十年的化石證據發(fā)現，動(dòng)物起源的時(shí)間早于寒武紀，但目前最早動(dòng)物的化石記錄始終沒(méi)有早于6.6億年前。
就在今天，一項發(fā)表于《自然》雜志的研究，有可能將這一時(shí)間大幅提前——一位加拿大地質(zhì)學(xué)家提出，她找到了8.9億年前的海綿化石。但論文一經(jīng)發(fā)布，爭議也接踵而至……
撰文 | 吳非
上世紀90年代的一天，正在加拿大女王大學(xué)讀博的伊麗莎白·特納（Elizabeth Turner）來(lái)到了加拿大西北地區的馬更些山脈。她所在的地點(diǎn)是加拿大最為人煙罕至的地區之一，而她進(jìn)入這片區域的過(guò)程更是費盡周折——由于周?chē)緵](méi)有公路，她只能乘坐直升飛機抵達附近，然后徒手向陡峭的山峰攀爬。
上世紀90年代，特納找到化石的地區 | 特納/勞倫森大學(xué)
這位地質(zhì)專(zhuān)業(yè)的博士生來(lái)到這里的原因在于，這里保存著(zhù)大量疊層石。疊層石是藍細菌生命活動(dòng)的產(chǎn)物：它們產(chǎn)生的黏性物質(zhì)如同膠水，將海洋中的碎屑顆粒粘合起來(lái)，形成層狀的化石記錄——疊層石。目前地球上最古老生命的確鑿證據，就來(lái)自澳大利亞的35億年前的疊層石。而特納腳下的這片地區在近10億年前被廣闊的海洋覆蓋，經(jīng)過(guò)之后的抬升作用，綿延的山脈攜帶著(zhù)包括疊層石在內的海底地質(zhì)記錄浮出水面，呈現在世人眼前。
在考察現場(chǎng)，受觀(guān)測工具的限制，特納能確定的信息很有限。因此，她只能盡可能多地選取代表性的樣本，將它們送到實(shí)驗室的顯微鏡下進(jìn)一步研究。這時(shí)特納自己也沒(méi)有想到的是，在20多年后，她可能從疊層石這種古老的生命形態(tài)里，找到了全世界最古老的動(dòng)物。
20多年的等待
從野外回到女王大學(xué)地質(zhì)科學(xué)系的實(shí)驗室里之后，特納仔細分析了這些古老的巖石樣本。一系列定年方法已經(jīng)確定，這些樣本來(lái)自大約8.9億年前的新元古代（寒武紀之前的地質(zhì)年代，10億~5.4億年前）。這時(shí)，地球的面貌與今天的相距甚遠——地球的大氣層里幾乎沒(méi)有氧氣，生命形態(tài)仍然停留在原始的微生物階段。
但當特納在顯微鏡下觀(guān)察這些來(lái)自原始階段的巖石薄片時(shí)，卻看見(jiàn)了令她感到震驚的圖像。在深色的疊層石中，出現了大量彼此交錯的白色樹(shù)枝狀紋路——天文愛(ài)好者可能會(huì )聯(lián)想到宇宙纖維網(wǎng)絡(luò )，吃貨可能會(huì )想起和牛的雪花紋路，而對特納來(lái)說(shuō)，這些不到毫米尺度的結構令她頭疼卻又興奮。
特納在顯微鏡下看見(jiàn)的樹(shù)枝狀結構 | 特納
此后，特納又陸續在一些其他薄片里看到了這樣的結構。對于博士階段的特納，要解釋這些奇怪的結構實(shí)在是有些困難。當她將這些圖像發(fā)給其他研究者時(shí)，也沒(méi)有人能確定它們是如何形成的，又是否與生命存在特定的關(guān)聯(lián)。于是，特納將這些化石和心中的疑問(wèn)一同暫時(shí)收藏了起來(lái)，等待讓謎底揭曉的線(xiàn)索出現。
最終，來(lái)自現代海綿的高清顯微鏡圖像給了特納啟發(fā)。作為地球上結構最簡(jiǎn)單的多細胞動(dòng)物，海綿沒(méi)有肌肉、沒(méi)有神經(jīng)系統，為了生存，它們演化出了很多令人詫異的生理特征——例如，一種由蛋白質(zhì)組成的柔軟骨骼。
海綿的細胞會(huì )分泌一種特殊的蛋白質(zhì)——海綿硬蛋白（spongin）。這類(lèi)蛋白質(zhì)能幫助海綿擁有纖維狀的柔軟骨架，正是這些骨架賦予海綿軀體柔韌性。當這些硬蛋白出現在顯微鏡下時(shí)，特納注意到，它們與8.9億年前化石中的樹(shù)枝狀結構非常相似。隨著(zhù)最近幾年，一些更為年輕的化石中同樣出現了高度相似的結構，并且被解釋為海綿的硬蛋白遺跡，特納開(kāi)始相信，她在上世紀找到了那些化石，就是海綿的硬蛋白。
現代海綿硬蛋白組成的纖維 | 特納
伴隨著(zhù)更細致的觀(guān)察、建模以及分析，特納在一篇剛剛發(fā)表于《自然》雜志的論文中呈現了來(lái)自8.9億年前的生命故事。值得一提的是，與當今絕大多數依靠團隊合作完成的論文不同的是，這篇最新的論文只有特納一位作者。
在特納的故事中，在曾經(jīng)的海綿在淺海中度過(guò)一生、倒向海床，被泥沙埋藏之后，一些關(guān)鍵的轉變出現了。當海綿的軀體早已消失，它們的硬蛋白在埋藏過(guò)程中逐漸被鈣質(zhì)礦物（例如方解石）替代，最終呈現出中空的管狀結構——而這也正是特納在化石里看到的形態(tài)。
大幅提前
如果特納的推論最終得到證實(shí)，人類(lèi)對于動(dòng)物起源的認知將被徹底改寫(xiě)。
關(guān)于動(dòng)物的起源，我們最熟悉的莫過(guò)于寒武紀生命大爆發(fā)。來(lái)自全球各地的化石忠實(shí)地記錄下了這段時(shí)間海洋里的巨變。從5.41億年前開(kāi)始，海洋中的動(dòng)物似乎從無(wú)到有，突然大量涌現。在短短的2000萬(wàn)年內，主要的動(dòng)物類(lèi)群紛紛出現。因為這些化石記錄，在很長(cháng)一段時(shí)間內，寒武紀都被視作動(dòng)物的起點(diǎn)。
不過(guò)最近半個(gè)世紀，不斷涌現的化石證據表明，動(dòng)物爆發(fā)的時(shí)間可能需要有所提前。在早于寒武紀的埃迪卡拉紀（約6.35億~5.42億年前），多個(gè)生物群中都出現了動(dòng)物的身影。這些廣泛分布在全球的化石記錄說(shuō)明，動(dòng)物的爆發(fā)時(shí)間比之前認為的更早?？梢哉f(shuō)，這些生物群的出現為我們追溯復雜動(dòng)物的起源提供了全新的窗口。
目前，最古老動(dòng)物的確鑿證據來(lái)自5.71億年前的軟軀體動(dòng)物化石，這是一種形似巨大樹(shù)葉的原始動(dòng)物。不過(guò)，在直接的動(dòng)物化石之外，一些間接證據將動(dòng)物的誕生推向更早的年代。2018年，一項發(fā)表于《自然·生態(tài)學(xué)與演化》的研究就在來(lái)自阿曼、西伯利亞和印度的巖石中，找到了一種名為26-甲基豆甾烷的類(lèi)固醇化合物。它的特別之處在于，在自然界中，已知只有海綿才能合成這種化合物。因此，這些可以追溯到6.6億~6.35億年前的生物標記物可能表明，早在那時(shí)就已經(jīng)有動(dòng)物在海底生活。
相比之下，特納在最新研究中提出的動(dòng)物誕生時(shí)間，遠遠早于目前的任何直接或間接化石證據。
論文中的化石可能代表了與今天的樹(shù)角海綿相似的遠古海綿 | wikipedia
巨大爭議
如果特納的結論最終得到證實(shí)，古生物學(xué)家們將面臨另一個(gè)更加嚴峻的難題：這些最早的動(dòng)物，是如何在氧氣含量極低的地球中生存下來(lái)的，它們又是如何在隨后度過(guò)被冰雪覆蓋的雪球地球的？
當我們回顧地球的演化歷史，會(huì )發(fā)現地球的絕大多數階段都是不適合動(dòng)物生存的。其中一個(gè)關(guān)鍵因素是，大氣層中豐富的氧氣，是直到“近期”才形成的。從最早的光合作用細菌出現開(kāi)始，地球的氧化過(guò)程經(jīng)歷了數個(gè)階段，但直到8億年前，氧氣才開(kāi)始在大氣層中積累。在此之前，地球大氣中幾乎沒(méi)有氧氣，海洋也處于嚴重缺氧的環(huán)境中——按理說(shuō)，動(dòng)物無(wú)法在這樣的條件下生存。
對于這一點(diǎn)，一些能在缺氧條件下生存的現代海綿或許可以說(shuō)明，8.9億年前的環(huán)境可能是某些海綿能夠忍受的。但即便如此，這些早期動(dòng)物在隨后還要面臨另一項挑戰。大約7億年前，地球遭遇了地球生命史上最嚴峻的氣候危機。這一次不是變暖，而是覆蓋全球的雪球地球。在近1億年的時(shí)間內，整個(gè)地球可能被上千米厚的冰層覆蓋，在這樣的情況下，海水中的動(dòng)物又是如何克服如此極端的生存條件的？
對于古生物學(xué)家而言，這一系列問(wèn)題值得他們去進(jìn)一步思索——當然，這一切的前提是，特納的結論是正確的。特納找到的化石，真的是史前動(dòng)物的杰作嗎？至少目前看來(lái)，這項研究一經(jīng)發(fā)布，就引起了很大的爭議，并且這樣的爭議或許會(huì )長(cháng)期延續下去。
目前爭議的焦點(diǎn)在于，這些形態(tài)化石究竟代表了什么？是海綿，還是其他更簡(jiǎn)單的生命？或者說(shuō)，這一定是生物締造的結構嗎？
盡管在這項研究中，特納聲稱(chēng)當時(shí)的微生物均無(wú)法產(chǎn)生類(lèi)似的復雜形態(tài)，但在不少古生物學(xué)家看來(lái)，這項發(fā)現遠遠不足以與“動(dòng)物”畫(huà)上等號，因為一些其他形態(tài)的生物（微生物）也能產(chǎn)生這樣的樹(shù)枝狀結構。甚至有人認為，即使不需要生物作用，礦物自身也能長(cháng)出類(lèi)似的形態(tài)。
顯然，無(wú)論目前的觀(guān)點(diǎn)如何，眾多研究者都認為，形態(tài)學(xué)證據本身還太過(guò)單薄。遺憾的是，由于保存條件不利，這些樣本里沒(méi)能保留生物標記物的證據?；蛟S，在下一個(gè)8.9億年前或者更早的動(dòng)物化石證據出現之前，關(guān)于特納以及這些“最早動(dòng)物”的爭論仍將延續下去……
原始論文
Possible poriferan body fossils in early Neoproterozoic microbial reefshttps://doi.org/10.1038/s41586-021-03773-z
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