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                    《科學通報》

                    開博時間:2019-09-06 16:50:00

                    《科學通報》是主要報道自然科學各學科基礎理論和應用研究方面具有創新性、高水平和重要意義的研究成果。報道及時快速,文章可讀性強,力求在比較寬泛的學術領域產生深刻影響。

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                    這些遠古生物沒能留下化石

                    2019-12-22 14:42:00

                      19世紀中葉,達爾文被大量動物化石在寒武紀地層中突然出現而深深困擾,而寒武紀之前的巖石中似乎找不到任何化石的蹤影,動物看起來似乎是"一夜之間"出現的。他試圖用化石記錄的不完整性來解釋這樣的劇變,但他也意識到這個問題如果得不到很好的解釋,就會動搖進化理論的根基。

                      在其后的100多年中,古生物學家在前寒武紀地層中陸續發現了豐富的化石,這看似解決了達爾文的難題,但實際上也帶來了更多的未解之謎。

                      埃迪卡拉生物群代表了緊鄰寒武紀的埃迪卡拉紀晚期的生物面貌,這一獨特的化石生物群在包括我國三峽地區在內的全世界30多個地點都有發現。它們獨特的身體構型及保存方式在寒武紀及之后的地層中再也沒有出現過。由于難以與已知的生物進行形態學對比,埃迪卡拉型生物的分類位置長久以來難以確定。它們曾被認為是藻類、刺胞動物、櫛水母、環節動物、巨型原生生物或地衣等。著名古生物學家塞拉赫甚至主張建立新的界一級分類單元,用文德生物界(Vendobiont)來安置這些奇特的生物。在這些大量的、親緣關系不明的古怪生物生活的埃迪卡拉紀海洋中,卻難以見到我們熟悉的現生動物的類型。例如,動物中被認為最早出現的海綿動物,還沒有在前寒武紀發現其確切的化石證據。

                      在傳統古生物學解釋這些問題遭遇“瓶頸”的時候,生物標志化合物從分子角度提供了新的證據,這些新發現的"窺視遠古世界的分子窗口"也因此成為2018年Science評選出的十大科學突破之一。

                      什么是生物標志化合物?

                      生物死亡后,組成生物的有機分子在合適的沉積和成巖環境中可以轉化為更加穩定的分子并保存下來。這些最初來源于生物并保留了其特征碳骨架的有機化合物被稱為生物標志化合物(biomarkers)或分子化石(molecular fossils)。

                      生物標志化合物有可能與特定門類的生物分子建立“生物前驅物—地質產物”對應關系(雖然也有的生物標志化合物無法找到其明確的生物前驅物)。如最常見的生物標志化合物之一的藿烷的生物前驅物通常被認為只能由細菌產生。另一類標志物甾烷的生物前驅物甾醇在所有真核生物中都有發現,而在原核生物中極少找到。動物多產生膽甾醇,陸生高等植物通常產生谷甾醇和豆甾醇,而真菌則多產生麥角甾醇。生物標志化合物的直接繼承性讓人們得以從地層中的分子化石追溯到產生該類化合物的生物門類。

                      在沒有實體化石的情況下,獲取生物與環境信息

                      2018年,祖姆伯格等人報道在阿曼的距今6.6~6.35億年的新元古代地層發現了一種新的標志化合物26-甲基豆甾烷(26-methylstigmastane,簡稱為26-mes),而26-mes被認為是代表海綿的生物標志化合物。同26-mes一起發現的還有另一種海綿的生物標志化合物24-異丙基膽甾烷(24-isopropylcholeststane,簡稱為24-ipc)。這兩種生物標志化合物的同時發現指示了在6.6~6.35億年前,海綿可能已經出現,比確定的最古老的海綿實體化石(5.35億年前,寒武紀早期)還要早約1億年。

                      另外,結合對沉積環境的研究,生物標志化合物也能反映出地質歷史時期海水的氧化還原狀態。如在進行生物大絕滅事件的研究時,??梢栽诖硗腹鈳У臏\水環境的巖石中,發現厭氧的綠硫細菌留下的生物標志化合物:綠硫菌烷(chlorobactane)。說明當時淺海環境已經嚴重缺氧,并且含有大量有毒的硫化氫,反映出該時期海洋生態系統的崩潰。

                      確定疑難化石的生物屬性

                      狄更遜蟲(Dickinsonia)(圖1)是埃迪卡拉生物群最常見也最具代表性的成員之一。它們通常保存為橢圓形的印痕,橢圓形的長軸長度從數厘米至1.4m不等。沿著長軸方向中間有一個中脊,長條狀的"體節"從中脊發散至身體邊緣。它曾被解釋為刺胞動物、櫛水母、環節動物、原生生物,甚至陸生的地衣等。

                      近年來,個體發育方面的研究以及與狄更遜蟲相關的遺跡化石的發現,傾向于支持其為后生動物。但是仔細研究后,發現狄更遜蟲兩側"體節"并不是完全對稱的(只有少量標本是完全兩側對稱),而是沿著中脊輕微錯動對稱(glidesymmetry),沒有任何已知的后生動物具有如此身體構型。對于狄更遜蟲生物屬性的爭議,可以看作是對埃迪卡拉生物群分類位置長期爭議的縮影。

                      博布羅夫斯基在2018年對俄羅斯白海地區采集的狄更遜蟲化石進行了分析,這些狄更遜蟲的特別之處是在印痕化石表面保留著薄薄一層原生有機質膜,且該地區地層的熱成熟度極低。這項研究顯示在化石周邊的圍巖中含有多種甾烷,其中大部分為來源于綠藻的C29-甾烷,而采集于化石本體部分的生物標志化合物則主要是(85%~93%)來源于后生動物的C27-膽甾醇。因而,證實了長期爭議的狄更遜蟲很可能就是后生動物,也表明埃迪卡拉生物群的部分成員與現生動物之間的親緣關系比我們之前認為的要近得多。但是,我們還不能確定它們屬于哪一類動物,這也是未來研究埃迪卡拉生物群的重要方向之一。

                      博布羅夫斯基還利用同樣的方法分析了另一類分布廣泛的埃迪卡拉化石——伯爾特圓盤(Beltanelliformis)。我國華南埃迪卡拉紀陡山沱組的廟河生物群中也發現了該類化石,其外形為圓盤狀,多保存有同心褶皺和明顯的邊緣加厚,一般呈群體產出。它曾被解釋為刺胞動物,也有學者認為其形態可與真核藻類或原核生物菌落類比。

                      博布羅夫斯基采集了俄羅斯白海地區保存了有機質的伯爾特圓盤化石。同樣在化石周圍的有機質中發現了大量指示綠藻的C29-甾烷,以及極少量指示原核生物的藿烷。而在化石本體上提取的有機質中的藿烷與甾烷的比值則比圍巖高出了60倍,而藿烷的生物前驅物大多來源于細菌,如藍細菌。

                      生物標志化合物的局限性

                      生物標志化合物作為古生物學研究的新手段,特別是對于實體化石相對稀少的前寒武紀有著顯而易見的重要意義,但同時也有明顯不足之處。

                      例如,如何辨別這些有機化合物是來自當時生活的生物母體,而不是后期的污染;另一方面,同一種生物標志化合物可以來自不同門類的生物,如之前提到的海綿生物標志化合物也可以在其他浮游動物中找到,這也給研究結論帶來了不確定性。

                      對前寒武紀生物演化的研究很大程度上受到化石材料的約束,因此生物標志化合物提供的分子信息就顯得更有意義,為解決疑難化石的生物屬性和尋找特定門類的起源提供了另一個維度的證據。但是由于其局限性,生物標志化合物必須和其他方面的證據結合起來才更加可信。而當分子證據和實體化石證據矛盾的時候,目前還是實體化石的記錄顯得更為可靠。不過隨著排除污染的方法日趨完善,對地質產物-生物前驅物-生物種類三者的關聯性了解得更加透徹,以及發現更多合適的巖石來進行生物標志化合物的提取,生物標志化合物的可靠性和重要性都會不斷提升。

                      與現在的地球相比,前寒武紀的地球看起來就像是另一個星球,而作為遠古地球窗口的生物標志化合物,在未來也完全有可能成為了解另一個星球生命的窗口。

                    本文來自《科學通報》

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