中国贵州瓮安生物群中发现6亿年前的原始海绵动物化石——“贵州始杯海绵”
2015-03-11 11:26:52   来源:化石网   评论:0 点击:

贵州始杯海绵模式标本贵州始杯海绵。a-e,h,扫描电镜照片,f-g,同步辐射数字切面,f切面在标本中的位置见图二e中的标记贵州始杯海绵的同步辐射三位无损重建。a-e,不同角度的视图;a1-c1分别是a-c的数字切面现代


贵州始杯海绵模式标本



贵州始杯海绵。a-e,h,扫描电镜照片,f-g,同步辐射数字切面,f切面在标本中的位置见图二e中的标记



贵州始杯海绵的同步辐射三位无损重建。a-e,不同角度的视图;a1-c1分别是a-c的数字切面



现代海绵动物的解剖学结构特征。A,具有简单的单沟系水沟系统的海绵解剖示意图,箭头指示水流方向。B,海绵形态学和解剖学特征

(化石网报道)据中国科学院南京地质古生物研究所:3月10日,《美国科学院院报》(PNAS)以长文的形式在线发表了南京古生物所研究员、973项目首席科学家朱茂炎课题组的最新研究进展:在我国贵州瓮安生物群中发现了一枚6亿年前的原始海绵动物化石——“贵州始杯海绵”(Eocyathispongia qiania)。这一化石十分微小,体积只有2-3 mm3,但保存了精美的细胞结构和完好的水沟系统,是迄今为止全球发现的最古老的可靠海绵化石的记录。该发现不仅将海绵动物在地球上出现的实证记录从寒武纪向前推进了6千万年,还意味着复杂的多细胞动物起源的时间可能远远早于古生物学家的传统推测。美国《科学》(Science)杂志对该进展进行了报道。

瓮安生物群产自贵州瓮福磷矿采区埃迪卡拉纪陡山沱组上部,主要由立体保存的多细胞藻类、大型带刺疑源类和后生动物胚胎等多种化石组成。其中的动物胚胎化石作为迄今最古老的后生动物化石记录,为研究动物在寒武纪大爆发之前的起源和早期演化历程提供了独一无二的实证材料,受到全球科学界的极大关注。但遗憾的是,瓮安生物群中发现大量动物胚胎化石的同时却缺乏可信动物成体化石,故一些西方学者对这些胚胎的动物属性提出了质疑,他们认为这些处于细胞分裂阶段,分裂形态和大小类似动物胚胎的球状化石也有可能是硫细菌、原生生物或者团藻类绿藻。最近南京古生物所袁训来研究员课题组发现,瓮安生物群中一类球形化石有营养细胞和生殖细胞的分化,并且缺乏明显的细胞壁。这些证据彻底否定了它们是硫细菌、原生生物或团藻的可能,认为这些胚胎状化石确凿无疑是多细胞真核生物,有可能是某种基干类群动物,或者是某种多细胞藻。但是这一研究没有解决瓮安生物群中到底是否存在动物化石这一受普遍关注的核心问题。

那么瓮安生物群中究竟有没有动物呢?朱茂炎带领的国际科研团队通过采用新的技术手段进行了大量的化石标本调查,在这一科学难题的研究上取得了新进展,在瓮安生物群中发现了一枚保存完好的“贵州始杯海绵”。“贵州始杯海绵”是保存细胞结构的三维动物成体化石,不是胚胎期化石,动物的细胞组织结构清晰易辨,终于使得瓮安生物群中是否有真正的动物化石这一疑问有了一个肯定的答案。

“贵州始杯海绵”化石是以磷酸盐化的形式呈三维立体的状态保存在白云质磷块岩中。论文第一作者殷宗军博士等通过使用化学溶蚀法将白云质围岩剥离后得到了完整的化石标本,然后借助大型科学装置同步辐射光源,使用目前最先进的三维无损成像方法——相位衬度显微断层成像技术,重建了该化石标本的三维结构。结果显示化石整体外观呈缠绕的管状,由三个独立的腔室共用一个实体基座组成,每一个腔室都有一个向上的开口。配合扫描电镜观察,发现标本保存了精美的细胞结构。同步辐射技术和扫描电镜观察均表明生物体已经发生了明显的细胞分化,而且标本表面的扁平细胞和现代海绵表面的扁平细胞无论是细胞形态还是细胞之间的联接方式都十分一致。化石表面不同区域覆盖的细胞具有不同的形态和定向,细胞之间发育了数量众多的小孔,这些小孔直通有开口的腔室,在腔室内壁上还发现了类似现代海绵的领细胞结构。这些小孔和腔室一起形成了简单的水沟系统,为生物体提供了与外界进行物质交换的通道。以上这些生物学特征表明它是一种与现代海绵动物非常相似的原始动物,固着在浅水区的海底通过简单的水沟系统进行滤食生活。

海绵动物是整个动物界中最原始的类群,它们没有真正的组织和器官,而只有细胞分化,因此在化石中识别海绵动物最理想的情况则是找到保存了细胞结构和完整水沟系统的标本。“贵州始杯海绵”的发现恰恰满足了这一要求,精美保存的细胞和完整的水沟系统使得该标本成为目前为止最古老的海绵化石,其发现将海绵动物的化石记录向寒武纪之前推进了6千万年。结合现有的动物谱系树和分子演化生物学(分子钟)的推断,该发现预示着一些与这类海绵动物有共同祖先,但形体更复杂的真后生动物在瓮安生物群中也应该出现,而所有动物的共同祖先则远早于6亿年前。这一理论上的推测为在更古老的地层中发现动物始祖化石提供了依据。

本项研究由科技部重大基础研究计划(973项目2013CB835000),中科院重点部署项目(KZZD-EW-02-2),国家自然科学基金委员会(41302003)和现代古生物学和地层学国家重点实验室联合资助。

论文相关信息:Yin ZJ, Zhu MY, Davidson EH, Bottjer DJ, Zhao FC, Tafforeau P. Sponge grade body fossil with cellular resolution dating 60 Myr before the Cambrian. PNAS.

相关报道:中国发现地球最古老原始动物化石

(化石网报道)据新华网华盛顿3月9日电(记者林小春)由中国科学院南京地质古生物研究所牵头的一个课题组9日报告说,新发现的一枚米粒大小的化石显示,至少6亿年前地球上已出现原始动物。这是迄今全球发现最早且可信的原始动物实体化石。

由南京地质古生物研究所研究员朱茂炎领衔的课题组当天在美国《国家科学院学报》上说,他们在中国贵州省“瓮安生物群”中发现了一枚原始海绵动物化石,虽然体积只有2到3立方毫米,但其历史已达6亿年,它被命名为“贵州始杯海绵”。

朱茂炎对新华社记者说:“这一发现将消除学界对6亿年前地球上是否出现动物的疑问。”

据介绍,该化石保存在白云质磷块岩中,研究人员使用化学溶蚀法将白云质围岩(围岩是某种地壳物质周围的岩石)剥离后得到了完整的化石标本。然后研究人员使用三维无损成像法,在不破坏化石的前提下观察了它的三维结构。

研究显示,化石整体外观呈缠绕的管状,由3个独立的腔室和它们共用的一个实体基座组成,每个腔室都有一个向上的开口。该生物体已发生明显的细胞分化,具有与现代海绵动物相似的表皮细胞和领细胞(位于体腔壁内层、带有鞭毛的一种细胞)结构,其表面细胞之间还发育了数量众多的小孔,这些小孔直通有开口的腔室,和腔室一起形成简单的水沟系统,为生物体提供与外界进行物质交换的通道。

论文第一作者殷宗军博士说:“这些生物学特征表明它是一种与现代海绵动物非常相似的原始动物,能固着在浅水区的海底通过简单的水沟系统进行滤食生活。”

海绵动物是整个动物界中最原始的类群,它们没有真正的组织和器官,只有分化的细胞。朱茂炎说,以前发现的可靠海绵化石是寒武纪早期的海绵骨针化石,距今约5.3亿年历史,因此本次发现把海绵动物的化石记录向前推进了七千万年。对于此前某些媒体报道过的寒武纪之前的海绵化石,他认为“均不可靠,因为那些化石没有保存海绵动物典型的特征构造”。

瓮安生物群位于贵州瓮安县境内,距今已有约6亿年历史。多年研究发现,瓮安生物群主要由多细胞藻类、大型带刺疑源类(即具备有机质壁但不能归入已知生物门类的生物)和后生动物(即草履虫等原生动物以外的动物门类)胚胎等多种化石组成,但此前所发现的动物化石标本以未分裂的受精卵和早期分裂的动物胚胎为主,没有找到可靠的动物成体化石,这使得一些学者对瓮安生物群中胚胎的动物属性提出质疑。

朱茂炎解释说:“‘贵州始杯海绵’是保存细胞结构的三维动物成体化石,不是胚胎期化石,该动物的细胞组织结构清晰易辨,终于使得瓮安生物群中是否有真正的动物化石这一疑问有了一个肯定的答案。”

相关报道:最古老原始动物化石-“贵州始杯海绵”

贵州始杯海绵

2015年3月,中国科学院南京地质古生物研究所973项目首席科学家朱茂炎课题组,在我国贵州瓮安生物群中发现一枚6亿年前的原始海绵动物化石“贵州始杯海绵”。这一体积只有2-3立方毫米的微小化石保存了精美的细胞结构和完好的水沟系统,是迄今为止全球发现的最古老的可靠海绵化石。该发现不仅将原始动物在地球上出现的实证记录从寒武纪向前推进了6000万年,还意味着动物共同祖先的起源时间可能远远早于古生物学家的传统推测。中国科学院南京地质古生物研究所研究员朱茂炎介绍,这一化石的发现,还解决了瓮安生物群中是否存在动物化石这一受普遍关注的核心问题,再次肯定了我国瓮安生物群是迄今全球最古老的后生动物化石库。

该研究于2015年3月10日以长文形式发表在《美国科学院院报》(PNAS)上。该研究第一完成人、南京古生物所殷宗军博士介绍,这枚海绵化石以磷酸盐化的形式保存在白云质磷块岩中,标本体积微小、仅为2-3立方毫米。研究人员借助大型科学装置同步辐射光源重建其三维结构发现,该化石整体外观呈缠绕的管状,由三个独立的腔室共用一个实体基座组成,每一个腔室都有一个向上的开口,保存了精美的细胞结构。同步辐射显微CT技术和扫描电镜观察均表明,这一生物体已经发生明显的细胞分化,标本表面的扁平细胞和现代海绵表面的扁平细胞在细胞形态以及细胞黏联方式等方面十分一致,在腔室内壁上,还发现了类似现代海绵的领细胞结构。以上特征表明,这一生物是一种与现代海绵动物非常相似的原始动物。

海绵动物

海绵动物是整个动物界中最原始的类群,它们没有真正的组织和器官,只有细胞分化,虽然前人也曾报道过一些前寒武纪地层中疑似的海绵化石,但由于没有细胞结构和满足水动力学需求的水沟系统等典型特征,因而不被学界认可。

瓮安生物群

产自贵州瓮安县境内瓮福磷矿采区的磷矿地层内(埃迪卡拉纪陡山沱组上部),距今约6亿年。20多年的研究发现,瓮安生物群主要由三维立体保存的多细胞藻类、大型带刺疑源类和后生动物胚胎等多种化石组成。其中的动物胚胎化石作为迄今最古老的后生动物化石记录,为研究动物在“寒武纪大爆发”之前的起源和早期演化历程提供了独一无二的实证材料。因此,自1998年首次发现动物化石以来,一直受到全球科学界的极大关注。

但遗憾的是,瓮安生物群中已经研究发表的、解释为动物化石的标本以未分裂的受精卵和早期分裂的动物胚胎为主,而数量稀少的动物成体化石并未被学术界广泛接受。存在大量动物胚胎化石,但又缺乏可信动物成体化石的发现,使得一些西方学者对瓮安生物群中到底存不存在胚胎动物提出了质疑。没有找到可靠的动物成体化石,我国瓮安生物群中动物胚胎状化石的生物学解释已然陷入了尴尬的困境。

“在寒武纪之前地层中,保存了磷酸盐化微体动物和胚胎化石的瓮安生物群只在我国贵州发现,全球范围内前寒武纪地层中都没有相似保存的化石群,这种唯一性一方面让我国科学家获得追溯动物起源的得天独厚优势,另一方面也导致国际上能够获得相似材料进行的比对研究非常有限。”朱茂炎说,生物有机体快速磷酸盐化的机制决定了大的化石个体保存为化石的可能性极小,这可能导致瓮安生物群中动物成体化石非常稀少,即使有保存,也可能是微小的碎片不易辨认。为了有新的发现,科学家往往对几百甚至上千公斤的含有化石的岩石进行逐一分析研究,“每一次科研上的突破,都需要大量重复枯燥的基础工作,加上那么一点点运气。”朱茂炎说。

那么瓮安生物群中究竟有没有动物呢?此次在瓮安生物群中发现的“贵州始杯海绵”是保存细胞结构的三维动物成体化石。在仅仅2-3立方毫米如“米粒”般微小体积上,其动物的细胞组织结构清晰易辨,完好的水沟系统保存精美,可以说,这一“成年”动物化石的发现,使得瓮安生物群中是否有真正的动物化石这一疑问有了一个肯定的答案。《美国科学院院报》审稿人评价,“这是一个激动人心的新发现”。

“寒武纪大爆发”事件

距今6亿年前后的前寒武纪-寒武纪转换期是地质历史上最关键的时期之一。这一时期,地球岩石圈、水圈和大气圈均发生革命性变化,环境利好使后生动物开始崛起,并在寒武纪早期发生大规模辐射式演化,即著名的“寒武纪大爆发”事件(5.41-5.20亿年前)。然而相较早已被广泛接受的“寒武纪大爆发”,厚厚的前寒武系地层中却鲜有后生动物化石的踪影,著名的埃迪卡拉动物群(5.75-5.41亿年前)又被认为和寒武纪出现的动物没有直接亲缘关系,这为解释生物演化蒙上了神秘色彩。破解动物起源之谜,需要在研究6亿年前后地球环境背景的同时,寻找前寒武纪动物化石记录。此次发现的“贵州始杯海绵”标本为前寒武纪时期多细胞动物的化石记录提供了新的重要例证,对了解动物在地球上的起源时间和过程具有重要意义。距今6亿年前后的前寒武纪-寒武纪转换期是地质历史上最关键的时期之一。这一时期,地球岩石圈、水圈和大气圈均发生革命性变化,环境利好使后生动物开始崛起,并在寒武纪早期发生大规模辐射式演化,即著名的“寒武纪大爆发”事件(5.41-5.20亿年前)。然而相较早已被广泛接受的“寒武纪大爆发”,厚厚的前寒武系地层中却鲜有后生动物化石的踪影,著名的埃迪卡拉动物群(5.75-5.41亿年前)又被认为和寒武纪出现的动物没有直接亲缘关系,这为解释生物演化蒙上了神秘色彩。破解动物起源之谜,需要在研究6亿年前后地球环境背景的同时,寻找前寒武纪动物化石记录。此次发现的“贵州始杯海绵”标本为前寒武纪时期多细胞动物的化石记录提供了新的重要例证,对了解动物在地球上的起源时间和过程具有重要意义。

距今6亿年前后的前寒武纪-寒武纪转换期是地质历史上最关键的时期之一。这一时期,地球岩石圈、水圈和大气圈均发生革命性变化,环境利好使后生动物开始崛起,并在寒武纪早期发生大规模辐射式演化,即著名的“寒武纪大爆发”事件(5.41-5.20亿年前)。然而相较早已被广泛接受的“寒武纪大爆发”,厚厚的前寒武系地层中却鲜有后生动物化石的踪影,著名的埃迪卡拉动物群(5.75-5.41亿年前)又被认为和寒武纪出现的动物没有直接亲缘关系,这为解释生物演化蒙上了神秘色彩。破解动物起源之谜,需要在研究6亿年前后地球环境背景的同时,寻找前寒武纪动物化石记录。此次发现的“贵州始杯海绵”标本为前寒武纪时期多细胞动物的化石记录提供了新的重要例证,对了解动物在地球上的起源时间和过程具有重要意义。

前寒武纪-寒武纪转换时期(距今6亿年前后)是地质历史上最为关键的时期之一。在这一时期,随着罗迪尼亚超大陆的裂解和冈瓦纳大陆聚合,大量生命繁衍需要的无机盐由此向海洋富集,与此同时,大气自由氧含量的上升使全球表层海水彻底氧化。一系列环境因素的利好,使得后生动物(又称多细胞动物)这一更复杂更高等的生命在前寒武纪晚期的埃迪卡拉纪(6.35-5.41亿年前)开始崛起,并在寒武纪早期发生大规模辐射式演化。从最简单的海绵动物到最高等的脊索动物在内,几乎现生所有动物门类在寒武纪早期短短两千万年的时间内快速出现,这就是著名的“寒武纪大爆发”事件(5.41-5.20亿年前)。

动物的寒武纪大爆发作为一个客观存在的事实已被广泛接受,然而厚厚的前寒武系地层中却鲜有后生动物化石的踪影。这一现象早在达尔文时代就引发了人们的关注,近两百年来让地质学家和古生物学家感到困惑不已。有关“寒武纪大爆发”的研究不仅没有破解动物起源之谜,反而给这一生物演化事件蒙上了一丝神秘色彩,早年甚至被宣扬为上帝创世的地质学证据,激发了人们更多的疑问:寒武纪大爆发因何发生?地球生命在经历了30多亿年的缓慢演化后为什么突然在寒武纪早期出现各种复杂的动物?前寒武纪地层中究竟有没有留下这些复杂动物的祖先化石?如果有,它们到底是什么模样……

这些悬而未决的问题长期以来是古生物学和演化生物学研究的前沿课题。想要回答这些问题,则需要在研究6亿年前后地球环境背景的同时,寻找前寒武纪动物化石记录,追溯寒武纪大爆发的源头。

然而寒武纪之前的地质记录中多细胞动物的化石记录十分稀有,而且著名的埃迪卡拉动物群(距今5.75-5.41亿年)的宏观生物又被认为和寒武纪出现的动物没有直接的亲缘关系,只是生命演化史上一次失败了的创新实验。因此找到寒武纪之前,尤其是早于埃迪卡拉生物群的动物化石记录,对了解动物在地球上的起源时间和过程都十分重要。此次发现的“贵州始杯海绵”标本,就为前寒武纪时期多细胞动物的化石记录提供了新的重要例证。

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