| 进化史上达尔文未能解释的重大事件：生命进化大爆发 生命大爆发 在今天的地球上生存着远超过100万种动物。这些动物可以大致分为38个大类，它们差不多全都是在距今5.4亿年前被称为“古生代寒武纪”的时期一起出现的。这一进化史上的重大事件就是研究者们所称的“进化大爆发”或者“寒武纪物种大爆发”。 从生命诞生到寒武纪前，生命已经存在了30多亿年，在那漫长的岁月中，生命的进化一直十分缓慢。那么，在寒武纪，进化为什么会突然加快，一下子出现了大量不同的动物？在达尔文提出进化论以来的150年里，这一直是一个未解之谜。 本专辑用图解方式概括说明这一重大事件的基本情况，并介绍从分子生物学、地球科学和古生物学等不同学科提出的企图解释发生这种物种大爆发原因的各种假说。 引 言 达尔文未能解释的进化史上的一个重大事件 1859年，英国生物学家查尔斯·达尔文出版了他的《物种起源》一书，提出了著名的进化论。按照达尔文的进化论，“生物是通过一点一滴的变化而逐渐进化的”。今天，进化论仍然是生物学的重要支柱之一。 不过，达尔文对于自己的进化论也写下过这样一段话：“我的理论还存在着好些难点。其中之一就是为什么会有大量动物在寒武纪突然出现。……对此我还没有一个令人满意的解释。” 所谓寒武纪，是指从距今5.4亿年前至4.88亿年前大约跨越5200万年的那一段时间。在达尔文提出他的进化论时，还从未在寒武纪以前的地层中发现过化石。但是一进入寒武纪地层，立即就发现了许多种类的三叶虫化石。三叶虫是一类有甲壳、有足和眼的动物。被说成是寒武纪生物的这种三叶虫已经有了类似于现在动物的相当复杂的高级器官。此外，在寒武纪地层中还发现过双壳贝类化石以及其他化石。 达尔文认为，在比寒武纪早得多的更古老的年代应该存在过结构更加简单的三叶虫，所有的动物都应该是从那个共同的祖先进化而来。但是，这样的化石始终没有发现。这个事实是用达尔文的“生物通过渐变从简单进化到复杂，逐渐变得多样化”的理论无法解释的。 最早的生命诞生于38亿年前，在那以后漫长的30多亿年间，生命的进化一直十分缓慢。但是一进入寒武纪，仅仅在1000万年的时间里，生命突然加速进化而变得丰富多样。许多研究者就把这一“事件”叫做“寒武纪物种大爆发”。 发现的故事 寒武纪物种大爆发的发现过程 1909年，在北美洲加拿大落基山脉发现了许多奇形怪状的生物化石。正是这一发现引出了后来对进化论构成挑战的寒武纪大爆发事件。 故事发生在那一年的夏天。美国史密森协会的主席查尔斯·沃考特(1850～1927)带领他的家人到加拿大英属哥伦比亚省的瓦普塔山(Mt.Wapta)度假。以前，他们夏天经常到瓦普塔山采集三叶虫化石，这次也是到这里来采集这种古生物的化石。 在返回的路上，沃考特的妻子海伦娜骑乘的马匹突然踩滑失足。沃考特下马仔细检查马蹄踩滑的位置，结果在马蹄踏翻的岩石块上发现了他以前从未见到过的一种生物的化石。岩石块上的化石大小只有2厘米左右，从头部伸出两对触角，身体多节，具有像饰带一样的结构。沃考特把这种残留在岩石中的似黑斑一样的生物用他的一位朋友的名字取名为“马尔三叶形虫”。他对这种样子古怪的生物倾注了极大的精力，在其一生中从这个地层中发掘到了65000件化石标本，动物品种达到120多种。 “马尔三叶形虫”以及其后发现的许多不同种类的动物化石都是在一种叫做“布尔吉斯页岩层”的地层中采集到的。这一事实于是便成为在寒武纪曾经一下子出现过具有达尔文未曾预料到的丰富多样性的大量复杂动物的有力证据。 这表明，在生命的历史中曾经发生过大量不同生物突然出现的寒武纪物种大爆发。“为什么会有这种物种大爆发？”这是生物进化史上的一个重大谜团。 研究的故事 分析大量的化石 要想解开寒武纪大爆发之谜，首先必须全面掌握那次物种大爆发的情况。 为此，英国古生物学家哈里·惠廷顿博士领导的一个研究小组按照一项被称为“剑桥工程”的庞大计划，详细分析在布尔吉斯页岩层中发现的大量化石，并进行了复原工作。 在上世纪60年代，惠廷顿小组先是参加加拿大地质考察计划，作为该计划的一部分，对布尔吉斯页岩层重新进行了全面调查。然后，又对以前史密森协会的由沃考特所收集到的化石再次逐一进行了认真的分析。 在布尔吉斯页岩层中发现的“化石”，并不像恐龙化石或鹦鹉螺化石那样呈现为三维结构，它们其实不过是紧贴在岩石上的被压碎了的二维残骸。惠廷顿博士等人的工作，就是要根据这些扁平的化石来复原出原来古生物活着时的三维形状。前页给出的那幅“马尔三叶形虫”的复原图，就是根据惠廷顿小组所推测的样子绘制的。 惠廷顿小组的复原方法大致如下。这些化石虽然都是压扁了的残骸，但是通过“解剖”方法剥离掉表面的外壳等部分，下面仍然保留有触手和足等内部结构。惠廷顿等人使用牙科医生的牙钻以不到1毫米的剥离深度来“解剖”这些化石，搞清楚了化石的内部结构。 可以想象，这些扁平的化石，被压扁的方向肯定不会一样。同一物种的化石，压扁后的样子，有些看到的是腹部，有些看到的是背部，也有些看到的是侧面。分析同一个物种从不同方向被压扁的化石，综合起来，最后就可以推测出该种生物活着时的形状。 通过“解剖”和综合这两种手段，惠廷顿研究小组终于重现了在布尔吉斯页岩层中发现的那许多古生物的形状。他们的研究，将寒武纪的那些古生物重新展现在人们的面前。 寒武纪的生态系统 现在动物的雏形全都是在寒武纪大爆发时突然形成的 加拿大英属哥伦比亚省在5.15亿年前曾是一片浅海底。在那里发现的古动物，依据发现地层的名称被称为“布尔吉斯页岩动物群”。这里图解绘出的则是由沃考特发现、由惠廷顿等人复原的寒武纪的生态系统。 布尔吉斯页岩动物群中有众多形状奇异的动物，除了前面提到过的马尔三叶形虫，例如还有长着5只眼和具有一根如长鼻样子口器的“欧巴宾虫”，全身披满鳞片和长有14根棘刺的“威瓦亚虫”，等等。 美国古生物学家斯提芬·古尔德(1941～2002)对这些奇形怪状的动物产生了极大的兴趣，在1987年出版了名为《沃考特一生》的著作，向世界介绍了这些奇异的动物。那以后，人们又把布尔吉斯页岩动物群叫做“不可思议的离奇动物”(Weird wonder)。 在古尔德的书中，这个动物群中还有不少生物没有明确的分类位置。现在，参加过剑桥工程工作的西蒙·康韦·莫里斯博士等人，通过仔细的工作，已经搞清楚了布尔吉斯页岩动物群与现代生物的亲缘关系。布尔吉斯页岩动物群中的动物，几乎全都与现有的动物具有共同的特征。也就是说，尽管形状古怪，它们却是现有动物的祖先，或者是与现有动物的祖先相近的动物。 复原寒武纪生物的工作并不限于在加拿大发现的那些古生物。上世纪80年代以后，在格陵兰、中国、澳大利亚和美国等地方也相继发现了类似于布尔吉斯页岩动物的化石，并展开了积极的研究。 现在的看法认为，寒武纪大爆发时期所出现的动物已经有了与现在相同数目的动物门。由此可见，寒武纪大爆发是导致出现了同现在一样多的多样化生物种类的一个重大事件。 更详细的图解 寒武纪的霸主—“奇虾” 在寒武纪有一种比其他种类动物都要大若干倍的动物，那就是奇虾。 奇虾究竟是什么样子，是在经过了一番曲折以后才最后搞清楚的。 原来，早在1886年，也就是比沃考特发现马尔三叶形虫还要早23年，加拿大地质研究所的理查德·麦康内尔(1857～1942)在对布尔吉斯页岩层附近的山地进行地质考察时就发现了奇虾的化石。不过，他发现的化石，只是奇虾的口前的触手部分。根据这块触手化石，他以为那是某种虾类的化石，便按照“奇怪的虾”的意思，用希腊语将其取名为“奇虾”。 那以后，沃考特又在布尔吉斯页岩层中发现了奇虾的口部化石，他以为那是某种水母的化石。此后，再有人发现了奇虾的躯体部分的化石，又把它误当作海参类化石。总之，后来的发现者都以为那是某种其他的生物，为它取了另外的名称。 直到1981年惠廷顿博士等人发现了奇虾全部身体各部分的化石，这才知道所谓“虾”(触手)，所谓“水母”(口)，所谓“海参”(躯体)，原来都是同一种生物的不同组成部分。到这时，他们终于才能够复原出我们今天所看到的奇虾的形状。现在已经清楚，奇虾具有尖利的口器，体型很大，是一种位于寒武纪生态系统食物链顶端的动物。 寒武纪大爆发前夜至初期 寒武纪大爆发初期生物身体的变化 同有生命以来的漫长历史相比，寒武纪大爆发可以说是在极其短暂的时间(数百万年～1500万年)发生的瞬间事件。幸而，从上世纪70年代以来进行的研究，终于在寒武纪大爆发最早时期的地层中也发现了一些生物化石。 日本筑波大学的助教授远藤一佳说：“这些化石可以告诉我们当时的生物究竟具有怎样的结构”。这些化石是在寒武纪大爆发即将发生至爆发初期的地层中发现的，大小不足1毫米，十分微小。它们并不属于一种生物的化石，有的盘卷成螺旋状，有的则像羊角形状，统称为“小壳化石群”(Small Shelly Fossils，SSF)。虽然还不知道它们究竟是什么生物的化石，但是可以肯定它们是构成许多生物身体上某些部分的“组件”。 对小壳化石进行化学分析，发现它们主要由3种成分组成，即碳酸盐(含碳、氧和钙)、磷酸盐(含磷、氧和钙)和二氧化硅(含硅和氧)。这也是组成现在生物的甲壳、骨骼和棘刺等组织的3种成分。比如说，双壳类软体动物的贝壳和珊瑚的主要成分是碳酸盐，我们人体骨骼的主要成分是磷酸盐，海绵骨针的主要成分是二氧化硅。 远藤助教授说，小壳化石群向我们提供了一个重要的证据，那就是，“许多不同类别的动物都在同一时期各自独立地进化出了硬质组织。” 近年来，研究者还复原出了小壳化石的若干种“属主”动物的形状。这里的跨页图解给出的微网虫和哈氏虫等就是其中的几种。微网虫属于软躯体蠕形动物，只有身体的一部分为硬组织。 在寒武纪大爆发刚开始的时候就有了这类具有硬组织的动物。那以后，动物多样化的规模越来越大，结果就发生了真正的物种大爆发。物种大爆发的结果，就是第20～23页所介绍的那些新的软体动物和贝壳，接着是具有脊椎等硬组织的动物，最后，终于出现了现在动物的所有祖先。 寒武纪动物的特点 出现了具有硬质组织的结构复杂的动物 在寒武纪大爆发中出现了现存的所有的动物门。关于这个问题，英国自然历史博物馆正在对寒武纪化石进行详细研究的安德鲁·帕克博士有如下的概括：“寒武纪大爆发的最大特点，是从软体动物突然进化出了具有硬组织的动物。” 如在第26页已经介绍过的，在寒武纪大爆发以前的那些埃迪卡拉生物，全都是没有硬组织的结构十分简单的软体动物。 然而，在寒武纪大爆发之后，在以布尔吉斯页岩动物群为代表的那些动物化石中，许多都具有十分复杂的结构。比如说，已经有了像昆虫那样外骨骼、向外伸出的凸眼、锐利的口器、剑一样的棘刺，等等。 在寒武纪大爆发之后，生态也发生了巨大的变化。在埃迪卡拉生物群的化石中，从没有发现过有捕食行为的迹象。例如在恐龙时代的化石中，科学家就曾发现过三角龙被霸王龙撕咬过的痕迹。但是在埃迪卡拉的化石中，却从没有见到过这样的伤痕。在有些埃迪卡拉化石的旁边有时会有淤泥被爬抓过的痕迹，由此可以推测，埃迪卡拉生物主要是以淤泥中的有机物为食。然而在世界各地的寒武纪地层中，都发现过显然是捕食痕迹的化石。 此外，帕克博士指出，布尔吉斯页岩动物群中的有些动物很可能还具有结构色。所谓结构色并不是色素的颜色，而是身体细微结构的光学效应。这些细微结构，从不同的角度看就会显示不同的颜色。至少，威瓦夏虫和马尔三叶形虫等动物身体的某些部分就有可能会像CD光盘的数据面那样有彩色闪光。产生这种结构色的细微结构，在埃迪卡拉生物群中自然是见不到的。 眼诞生假说 有眼动物的诞生引起空前激烈的竞争 在生命史上最早有“眼”的动物的化石，也是在寒武纪的地层中发现的。帕克博士非常重视这一事实，于是在1998年提出了一种“眼诞生假说”(光开关理论)，认为“在寒武纪大爆发中所以能够出现具有硬组织的动物，关键就在于眼。”下面就来介绍这种在今天颇受人们关注的假说。 在寒武纪大爆发之前，比出现小壳化石群生物更早的时期，在软体动物中偶然进化出了一些具有眼睛的动物。具有眼睛的动物，在生存竞争中自然处于比较有利的位置。在攻击时，能够判断出猎物的位置及其弱点。在受到攻击时，也能够及早感知到天敌接近，可以迅速藏身到岩石下或淤泥中。正是通过这种激烈的生存竞争，结果，受攻击的生物获得了避免被吃掉的用于防御的甲壳和刺等，以及有利于逃走的足和鳍等器官。攻击的动物，则获得了强有力的齿，以及有利于追击的足和鳍等器官。于是，生物就变得越来越多样化。 帕克博士提出这种假说的主要证据，是在寒武纪大爆发时期突然出现的那些有眼动物遗留下来的化石。这其中，以在寒武纪大爆发中最早出现的那些“三叶虫”特别引人注目。仔细研究这些三叶虫的眼睛，结果发现，当时的这些眼睛与现代动物的复眼并没有太大的不同，已经具备了十分有效的功能。 帕克博士说：“可以认为‘武器仅仅是装饰(armaments are ornaments)’。这就是说，刺一类武器本身并不具有防御作用，防御要靠视觉信息：‘靠近了，刺吧！’捕食者如果没有眼，它的武器同样也发挥不了作用。捕食者如果没有高度发达的眼睛，就不会进化出刺、硬质外骨骼的壳等各种各样的器官。” 这种假说目前并没有得到大多数研究者的认同。不过帕克博士相信，“随着对寒武纪化石研究的深入，证据肯定会越来越多。” 磷增加假说 地球环境变化的影响 动物变得多样化，硬组织和眼的出现，这一切是否同地球的环境有关？寒武纪大爆发难道同地球的环境没有关系吗？ 日本歧阜大学教育学部研究地球史的川上绅一教授说：“有证据表明，在寒武纪时期，地球的环境的确发生过变化。世界上的许多磷矿床就是在那一时期形成的。” 澳大利亚国立大学的地球科学家皮特·克里克分析全世界的磷矿数据得到的结论是，在寒武纪大爆发时期，磷矿的埋藏量有大幅度的增加，达到了大约1000亿吨，为寒武纪以前的1000倍以上。 磷是生物的一种非常重要的营养物质，甚至浮游植物也要吸收磷才能生长和繁殖。磷还是现在某些肥料的主要成分。川上教授说：“磷是包括软体动物在内的一切动物的营养来源，而且还是构成硬组织的材料。当时的地球环境就提供了发生寒武纪大爆发所需要的这种物质条件。” 那么，在寒武纪，大量的磷是从哪里来的呢？磷是岩石的主要成分之一。露出地表的岩石在风雨的侵蚀下发生风化，会变成粉末。此后，岩石中包括磷在内的各种成分便被河流带入海洋。川上教授说：“现在知道，在寒武纪曾有过大规模的造山运动。造山运动扩大了**的面积，自然也增加了裸露岩石的数量，于是，流入海洋的磷的数量便随之增加。”浸泡在水中岩石不会被风化，侵蚀作用将十分缓慢。因此，风雨的风化对于海洋中磷的增加起到了非常重要的作用。 然而，如在第28和29页所介绍的，在寒武纪大爆发以前，除了已经有了像微网虫那样具有磷酸盐组织的动物之外，另外存在着具有碳酸盐组织的哈氏虫和具有二氧化硅组织的皮朗海绵等动物。而且，如在第20～23页所介绍的，在布尔吉斯页岩动物群和澄江动物群的那些具有硬组织的动物中，也有许多动物的硬组织是以碳酸盐或者二氧化硅为主要成分。由此可见，营养成分增加导致动物品种多样化的证据并不确实可靠。川上教授说：“磷酸盐的增加只能是一个原因，估计当时的海洋环境还发生过更大规模的变化。” 许多研究者都认为，地球环境的变化应该是发生寒武纪大爆发的原因之一。那么，今后就应该打破古生物学和地球科学的界线，将两门学科结合起来探究发生寒武纪大爆发的原因。 附录1 对进化论的影响 寒武纪大爆发对进化论产生了巨大影响 研究者在搞清楚了寒武纪大爆发的全面情况之后，对进化论有影响吗？ 古尔德为此在1975年提出了他的“间断平衡进化模式”。他的理论的基本观点是，物种的数量并不是一点一点地逐渐增加的，而是突然爆发式地增加。这些增加的物种大多数都会灭绝，只有少数运气好的生物才能够存活下来。那以后，经过一段时间之后，这些幸存的生物再度爆发式地迅速分化而变得多样化。古尔德理论的主要证据就是寒武纪物种大爆发。 英国自然历史博物馆的理查德·福泰博士在1997年提出的进化模式则更接近达尔文原来的进化论。在他的进化模式中，生物的进化和多样化仍然是一点一点进行的。但是他认为，最初的多样化，早在寒武纪大爆发之前就已经开始了。在寒武纪大爆发之前就已经存在着多样化的生物，只是由于那些生物没有组织，或者像小壳化石生物那样十分细小，未能留下化石被我们发现罢了。 附录2 基因爆发 寒武纪大爆发与基因 寒武纪大爆发是不是在基因层次就预先“计划”好了的？关于这个问题，也有研究者进行了研究。 现在生存着的多细胞动物，其中最原始的，要数海绵。帕克博士说，在寒武纪大爆发以前出现的三个动物门中就有了海绵门，它们最早出现于大约9亿年前。现在的海绵，就属于海绵动物门的动物。 日本JT生命志研究馆的宫田隆顾问专门从事分子进化学研究，他系统分析了从海绵到人类的各种现代生物的基因，结果发现了能够说明基因与寒武纪大爆发存在着联系的两个重要事实。 这第一个事实是，在现存动物中，那最原始、最简单的海绵，同其他复杂动物一样，也具有多细胞动物所特有的那些基本的基因。这就是说，尽管海绵与其他动物早在大约9亿年前就已经分化，各自为完全独立的物种，但是它们却具有共同的基因。具有共同的基因，这意味着，海绵和其他动物在发生分化以前的某一个阶段曾经有一个共同的祖先。按照宫本顾问的说法，“所有动物的基本基因，在9亿年前出现海绵的时候就已经齐备了。” 这第二个事实是，在寒武纪大爆发时期基本上没有产生过新的基因。例如，把海绵与寒武纪大爆发以后出现的节肢动物和脊索动物进行比较，三者的“基本基因”并无变化，尽管作为动物“物种根本”的“形貌”已经发生了很大的变化。 正是根据这两个事实，宫本顾问认为，“寒武纪大爆发并不是由于出现了新的基因引起的，那应该是生物之外的其他原因引起的，如环境的变化等。比如说，这其他的原因使得已有的基因被用来达到其他目的，于是就发生了寒武纪大爆发。” 关于寒武纪大爆发之谜的研究还在继续 到目前为止，寒武纪大爆发仍然是一个谜，并没有得到合理的解释。不过，自沃考特以来，已经发现了不少的线索。如动物的多样化、硬组织的出现、眼的诞生，等等。基因的作用在进化过程中是否有什么变化，这是今后必然要研究的一个课题。挑战进化论的寒武纪大爆发是进化史上的最大谜团，有关的研究工作还将继续进行。 附录3“大爆发”后的世界 节肢动物称雄的世界 最后，我们来看一下寒武纪大爆发在生命史上所产生的影响。在那以后，世界有什么变化吗？现在世界上的许多生态系统，都是脊椎动物位于食物链顶端，这一优势地位就是在寒武纪确立的。 日本静冈大学理学部的铃木雄太郎助手目前正在研究寒武纪节肢动物的代表三叶虫，他说：“分析澄江动物群的数据，可以发现节肢动物的品种最多，占到澄江动物群全部动物种数的三分之一。可以认为，在当时生态系统中处于统治地位的动物群就是节肢动物。” “动物具有硬壳，不仅有利于防御，在其他方面也能显示很大的优点，例如在硬壳上可以附着肌肉。”铃木助手说。以硬壳为基底长出肌肉，那么，最终就会有动作准确、活动敏捷的强有力的动物出现。 寒武纪大爆发以后，到大约4亿年前，在这段时间出现了脊椎动物的祖先鱼类。根据所发现的化石推测，当时的鱼类虽然有脊椎(背骨)，但是大多数都没有颚，仍然属于弱小动物。而且当时的鱼类，从没有发现有体长超过1米的。然而正是在这同一时期，节肢动物群却变得越来越多样化，体型也越来越大。 这些节肢动物中有一种体长超过2米的“海蝎”特别引人注目。这是在寒武纪大爆发以后再经过了近1亿年时间出现的巨型动物，而当时的鱼类，最大的，体长也不过数十厘米。可以认为，那种巨型海蝎就是以捕食鱼类为生，处在当时生态系统食物链的顶端。“在寒武纪大爆发中出现的节肢动物，它们的足仅用来捕捉猎物或行走。但是，其后才出现的这种海蝎，它的足则被用作游泳的‘桨’，还分化长出了用来将猎物送入口中的小手等器官。”铃木助手说。 在发生寒武纪大爆发时，生态系统的食物链与现在大不相同。直到后来进化出了“被捕食者”的鱼类，才逐渐形成了同今天相近的生态系统。 访谈录 澄江动物群化石 中国云南省的澄江是与布尔吉斯页岩层齐名的另一个最大的寒武纪化石发掘地。在澄江发现的化石种类数量众多，尤其是舒德干教授发现的“最古老的鱼类”化石震惊了世界，成为在寒武纪大爆发中已经进化出脊椎动物的有力证据。这个揭开了寒武纪大爆发**的澄江动物群究竟是怎么一回事？ 了解寒武纪大爆发的最好“窗口” 编辑：博士一直从事澄江化石的发掘和研究工作，请谈一谈澄江在世界各地的寒武纪化石发掘地中占有怎样的位置？ 舒：在世界上有20多个地点都在进行寒武纪化石的发掘工作。这其中，澄江是时代最古老的化石点之一。要了解寒武纪大爆发早期的情况，澄江是一个最好的“窗口”。 编辑：本专辑“进化大爆发”内容所提到的研究者全都十分关注澄江的发掘工作，这是为什么？ 舒：除了已经提到的澄江化石年代最早以外，澄江受到世界研究者的关注主要还有两个理由。第一个理由，澄江动物群中拥有其他地点动物群中见不到的许多重要的化石。我们在1999年发现昆明鱼(Myllokunmingia)和海口鱼(Haikouichthys)等“鱼类化石”，就是在其他发掘地从来没有发现过的。这两种鱼类被公认为是“最古老的鱼”，脊椎动物的始祖。 修改了脊椎动物进化史的“昆明鱼”和“海口鱼” 编辑：这两种化石的发现令人震惊。5亿年前不是没有脊椎动物吗？ 舒：这一发现是我的古生物工作生涯中最值得高兴的事情。正如你所说，此前的研究者，一般都认为在寒武纪还没有鱼类。在寒武纪大爆发中也没有出现其他具有脊椎的“高等”动物。在布尔吉斯页岩层中发现的皮卡虫化石属于低等脊索动物，脊椎动物是从低等脊索动物进化而来的高级类群，按理说似乎要晚一些时候才能出现。 编辑：“昆明鱼”和“海口鱼”推翻了以前的这种观点。请博士介绍一下当时的发现过程。 舒：我对此记忆犹新。事实上，最早拿到海口鱼化石的是我的一位在云南工作的古生物学家朋友，他是三叶虫方面的专家。1998年的年底，有一天，他让我看一块小化石，说：“看看这是什么？”我第一眼看到马上就有一种直觉：“这不是脊椎动物吗？这是鱼类化石呀！”10天后，我们很幸运在自己的标本库中也发现了一枚形态相似但保存更完整的鱼化石，即昆明鱼。1999年初，我在西北大学的研究室对它们进行了仔细研究。工作大约进行了两个月，经过化石解剖和分析，读懂了这两条鱼的所有基本特征，最后确信它们是最古老的鱼化石。 编辑：听说古生物学家发现了“未曾见到过的生物”总是会欣喜若狂的。博士当时是一种什么心情呢？ 舒：简直是说不出的兴奋。那年的2月适逢春节，对于中国人来说，那是一年中最愉快的一段时间。1999年的春节，更是我一生中过得最愉快的春节，在实验室里我一直陶醉在科学发现的甜蜜享受之中。紧接着，我在3月份的一次国际学术会议上公布了这一发现，后来又在科学刊物《自然》(Nature)上发表了论文。《自然》还同期发表了题为“逮住天下第一鱼”的专题评述文章。于是，大约在5.25亿年前“生命史上最早的鱼”就这样得到了广泛认同，写进了许多教科书。 澄江动物群是生活在浅海里的动物 编辑：博士刚才讲到“澄江动物群受到广泛关注，除了其古老以外，有两个理由”。那另一个理由是什么？ 舒：这第二个理由是，澄江动物群是立体保存下来的化石。由于布尔吉斯页岩化石，据推测，是当时海中的泥沙突然崩塌将生物瞬间掩埋形成的。因此，布尔吉斯页岩动物群的化石基本上都是被“压扁”了的二维化石。澄江动物群则与此不同，遗留下来的大都是立体化石，它们是暴风雨或者其他原因搬运来大量泥沙将当时的生物活着掩埋形成的。 编辑：那就是说，生物并没有被压碎，而是被活埋，无法呼吸，不能动弹，缓慢死去。这样形成的化石能够保留某些生前的信息。 舒：海口鱼就是一个很好的例子。到目前为止已经发现了数百个海口鱼个体，那其中就有鳃内塞满了泥沙的化石标本。这大概是窒息前把泥沙吸进了鳃中。在一部分身体已经腐烂而缺失的化石上，就看不到鳃内塞满泥沙的现象。这是因为，既然是死后并开始腐烂后才形成的化石，那么，变成化石以前的死生物体就不可能吸进泥沙。澄江的化石保存良好，就是因为形成化石的过程不同。在化石上可以辨认出一个一个的鳃内构造细节就是证据。 编辑：几百个化石个体！在新物种方面有如此大的发现，那是极其难得的呢。 舒：不仅如此，而且是在两米直径的范围内发现的，简直就像沙丁鱼那样聚集成群，稍微偏离一点位置就没有了。这一方面是运气，另一方面当然也是长年采挖的结果。西北大学的发掘小组在澄江坚持了十多年，挖出的岩石堆积如山，野外工作是比较艰辛的。 编辑：关键在于坚持不懈……说起来简单，可是，海口鱼毕竟只有不到3厘米长呢！刚才博士提到，鳃内塞满了泥沙，那么，这样小的鱼，靠这个就能够搞清楚它的结构吗？ 舒：这当然需要一些专业基础知识。1964年我在北京大学求学时，《脊椎动物学》和《古生物学》课程教给我的知识，在这里帮了我的大忙。不止是鳃的构造，保存得特别好的化石，还留下有仅为几毫米大的清晰的头部构造细节也可以辨认。在这个头上，可以辨认出成对的大眼和口。不过，刚才提到的低等脊索动物文昌鱼，就没有形成头。以前，学术界始终没有解决的“脊椎动物的头是在什么时候出现的”，现在，已经在具有成对大眼睛的海口鱼这种最古老的脊椎动物身上找到了。的确如博克博士所言：寒武纪大爆发的重要产物之一是出现了真正的眼睛。原口动物谱系中的节肢动物眼睛的诞生使它们长时期成为动物界的霸主。而后口动物谱系中只有脊椎动物才形成了真正的眼睛，因而有广阔的发展前景。作为脊椎动物始祖，海口鱼和昆明鱼最先出现了眼睛一事具有划时代意义。正是这种成对的眼睛，帮助所有脊椎动物获得了极其丰富的生存信息，并越来越受到自然选择的偏爱，从而引导这一神奇的谱系从鱼类到两栖类、爬行类、哺乳类的连续演化，直到迎来智慧人类的诞生。我们人类能有今日天之骄子般的辉煌，没有理由不感谢海口鱼和昆明鱼最初创造眼睛、头颅和原始脊椎的艰辛！ 编辑：除了脊椎动物，在澄江动物群中还有其他新发现吗？ 舒：新发现还不少。例如，关于三叶虫就有新的发现。三叶虫残留下来的化石通常仅有坚硬的外骨骼。在澄江的三叶虫化石上，则能够清楚地辨认出被叫做“内肢”的足的痕迹。三叶虫留下的化石虽然只有数厘米大小，但是却可以看清楚它的结构。对足进行研究，可以得到包括三叶虫在内的节肢动物进化和地理分区的重要证据。 编辑：在寒武纪时期，澄江当时的自然环境如何？ 舒：说到地层形成环境，当时这里应该是浅海河口。河水将泥沙带到这里，形成了沙洲。沙洲发生坍塌，便将当时的活生物掩埋在下面。澄江地区今天是海拔2000米的高原，然而在寒武纪，差不多全是海底。当然，在云南省境内，当时还会有一些岛屿。澄江当时就在一个岛屿的河口附近的位置。 寻找化石“证据”，解答达尔文留下的那个难题 编辑：博士主张新列一个“古虫动物门”，那是怎样的动物类群？ 舒：古虫动物门是一个十分重要的发现，其意义不亚于昆明鱼和海口鱼的发现。它们以在澄江发现的那些古虫(Vetulicola)、西大动物(Xidazoon)等为基础的一个动物门。这种动物的前体部有同鱼类相似的口和鳃裂，后体部却保留类似节肢动物的结构。过去，人们对鳃裂构造认识不足。正是鳃裂这种关键性创新构造从根本上改变了动物的新陈代谢方式，才使得古虫类脱离原口动物谱系而成为后口动物谱系的一个独立门类。 编辑：这真是一种样子古怪的生物。 舒：从进化生物学上看它们并不古怪，只是它们早已绝灭，我们不大熟悉罢了。其实，对于追溯脊椎动物的起源，古虫动物门应该是一类关键性的动物。在生命史上曾经发生过从原口动物谱系向后口动物谱系的激烈进化，在这类动物的化石上得到了具体反映。达尔文留下的难题，是指生物的进化中出现了“缺失环节”(没有发现进化的过渡型生物)。为什么没有发现过渡型生物？因为它们常常数量很少，容易绝灭。现在找到了这种过渡型生物，就会帮助我们更好地理解生物的进化。 编辑：这比达尔文所考虑的要复杂得多呢。 舒：在达尔文时代，提到寒武纪，那就是三叶虫的时代。在当时，绘制进化系统树似乎不是很复杂的事情。可是在今天，随着分子生物学的进步，已经可以根据基因来绘制进化系统树。但是，根据基因绘制进化系统树时，还必须要知道“过去存在过哪些生物”，而这个问题现在并没有解决。用化石作为证据说话，在这方面古生物学大有可为。 不要把当然的事情视作当然 编辑：博士对“寒武纪大爆发”怎么看，爆发的“诱因”是什么？ 舒：关于发生寒武纪大爆发的原因，现在已经有许多种说法。我已经收集了一些资料，打算也研究一下，提出自己的看法。我想，应该不拘泥于既有的观点，寻找自己的答案。 编辑：能够把博士的打算说得具体些吗？ 舒：我的想法是，我只是一位古生物学家，要全面认识生物进化当然不能单独干，今后必须与地球科学家和现代生物学家合作进行研究。先必须搞清楚寒武纪大爆发以前，也就是前寒武纪时代的情况。这项工作要同绘制刚才说到的进化系统树一起进行。 编辑：期待着博士再有新的发现。最后，请博士向我们的读者简单讲几句话。要成为像您这样的古生物学家，应该怎样努力呢？ 舒：从事古生物学研究的，不乏像达尔文那样生活的人。达尔文不为金钱所**，乘船远洋进行无金钱报酬的考察，历尽千辛万苦，始终保持一颗求索的心；他对人类思想宝库最重要的一些贡献，都是在他人生后40年病痛煎熬中做出的。同样，我们也要不受利益**，始终不能忘记探索。即使看起来很平常的现象，也要思索那背后的因果关系。不断观察，不断问为什么，抱着“果真是这样吗？”的怀疑态度，总之，重要的是必须积极实践，认真思考。 |
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