6亿年前瓮安生物群中的瓮安旋孔虫化石为揭开动物起源之谜提供重要新线索
2020-06-13 13:30:29   来源:化石网   评论:0 点击:

瓮安旋孔虫化石细胞分裂早期的瓮安旋孔虫细胞分裂晚期的瓮安旋孔虫(化石网报道)据新华网(江天潇 沈昱君):6亿年前的瓮安生物群中,有一类胚胎状化石表面上长有奇怪的螺旋状线圈,这到底是一种什么样的生物?


瓮安旋孔虫化石



细胞分裂早期的瓮安旋孔虫



细胞分裂晚期的瓮安旋孔虫

(化石网报道)据新华网(江天潇 沈昱君):6亿年前的瓮安生物群中,有一类胚胎状化石表面上长有奇怪的螺旋状线圈,这到底是一种什么样的生物?近日,中国科学院南京地质古生物研究所研究员殷宗军及其团队,通过高分辨率显微CT和同步辐射显微断层成像技术,对这类化石的内部结构进行了研究,并发布了目前的研究成果。

殷宗军表示,由于最早的动物化石记录难觅踪迹,动物起源领域一直是演化发育生物学的理论研究占据主导地位,直到埃迪卡拉纪瓮安生物群中发现了大量动物胚胎状化石后这一局面才开始发生变化。

“当前,瓮安生物群中动物总界类群的演化发育生物学方面的研究工作才刚刚起步,其中仍有大量系统分类位置不明的疑难化石,其中有一些疑难化石和动物胚胎状化石外观非常类似,瓮安旋孔虫就是其中一个典型。”殷宗军说。

为了探究瓮安旋孔虫有关的问题,中科院南京地质古生物研究所早期生命研究团队的研究员朱茂炎、殷宗军和中国地质科学院地质研究所研究员刘鹏举等研究人员共同研究,采用高分辨率显微CT和同步辐射显微断层成像技术,扫描了数百个瓮安旋孔虫化石标本,最终找到了保存精美的内部生物学结构。

殷宗军综合了旋孔虫的发育过程和形态结构特征,认为旋孔虫属于动物总界的一员,旋孔虫的发育过程也为理解动物起源提供了重要线索。

殷宗军认为,瓮安生物群中胚胎状化石包括大积球、旋胞类、笼脊球等均发育了相似的带装饰的囊包,这一特征并不具备生物学分类意义,而是趋同演化的结果。由于埃迪卡拉纪早期海洋环境较为严苛,氧化还原状态不稳定,因此几乎所有的胚胎状化石都发育了相似的厚壁囊包以保护自身。但这种类似的囊包结构掩盖了瓮安生物群的生物多样性,意味着瓮安生物群中可能还有更多属于动物总界的化石类群未被发现,未来应该有更大的潜力值得挖掘。

相关报道:6亿年前的“奇怪”化石,为揭开动物起源之谜提供重要新线索

(化石网报道)据现代快报(记者 阿里亚/文 顾炜/摄):动物究竟是如何起源的?这一直都是一个谜。在6亿年前的贵州瓮安生物群中,保存了一类名叫“旋孔虫”的胚胎状化石,表面上长有奇怪的螺旋状线圈。这到底是一种什么样的生物?长期以来,这类化石的生物学属性充满争议。近日,中国科学院南京地质古生物研究所牵头的国际团队通过高分辨率显微CT等现代化技术,最终破解了其身世之谜。相关研究成果于6月13日在线发表于美国《科学》杂志子刊《科学进展》(Science Advances)上,为理解动物起源提供了重要线索。

探寻化石14年,守住6亿年的瓮安化石宝库

在南京地质古生物研究所副研究员殷宗军的办公室,现代快报记者看到了瓮安旋孔虫化石。它被装在小细管里,肉眼仔细看,才能看见白色小沙粒。殷宗军说,瓮安旋孔虫呈球形,直径不到1毫米。“大约都是800微米左右,一微米等于头发丝直径的1/60。”

“故事缘起于14年前。当时我还是大三学生,为了做毕业设计,我去了贵州瓮安北斗山磷矿。在那里,我发现了少量的瓮安旋孔虫化石。”殷宗军介绍,瓮安北斗山磷矿形成于6亿年前,是全球发现迄今最早的可靠动物化石记录产地。瓮安化石为磷酸盐化三维立体保存的化石,保存了常规化石所没有的细胞和亚细胞级的生物解剖学结构,是全世界最古老的动物化石宝库。

虽然2006年,殷宗军就发现了瓮安旋孔虫化石,但是直到2015年,研究才算真正开始。“这九年间,很多学者都做了这方面的研究。如果要跟他们竞争,就需要更多的化石标本。”于是,2015年,殷宗军带着团队再次来到瓮安磷矿,开启了新一轮的采集化石之旅。他们在地质剖面上采集化石。
 
期间,发生了一件令殷宗军十分痛心的事情。“瓮安生物群位于采矿区,那几年,当地开始大规模开采矿石。由于采矿,之前产出化石质量最好的几个采坑都已经坍塌了,经典剖面有的被埋掉,有的被挖走,无法观察到产化石的地层,更无法采样做相关研究。”殷宗军说,为了让科研工作能够持续下去,他们极力呼吁保护该生物化石核心产地。

“2017年的清明节,我们推动举办了‘瓮安生物群化石保护和科学研究国际研讨会’,引起了非常大的关注,最后国务院亲自批示建立化石保护点。我们还在那里建了一个科普展览馆,向当地人介绍瓮安生物群以及它的重要性。”殷宗军告诉现代快报记者,他们最终共采集到了300余枚瓮安旋孔虫化石。

扫描310个标本,最终破解旋孔虫“身世之谜”

瓮安旋孔虫有带装饰的囊包,囊包上还发育了一条从一极延伸至另一极的螺旋状线圈。这到底是一种什么样的生物?长期以来,这类化石的生物学属性充满争议。而之所以存在较大争议,主要原因是它的内部生物学结构不清楚。

“瓮安旋孔虫跟其他瓮安胚胎化石不一样的地方就在于,其他胚胎的结构保存得很好,很容易找到细胞结构。但是瓮安旋孔虫有很厚的囊包,里面的结构都腐烂掉了。所以,你扫了很多个标本都不一定能够发现有内部结构,没有内部结构我们就不知道它是什么。”殷宗军说,由于化石标本非常小,想要高分辨率重现它的内部结构就要采用像医院里的 CT 扫描仪一样的先进设备,而光扫描一个标本就需要6个小时的时间。

研究团队前往瑞士最大的一个科研机构。在这里,他们花了两年时间,利用X射线超高分辨率显微断层成像技术扫描了310个标本。之后一年,研究团队都在分析研究旋孔虫化石。“这300多个标本中只有20几个标本保存了内部结构,而且保存的比较好的只有十几个标本。一个标本里分裂出好几千个细胞。前人没有大量的扫描,放弃了,我们做到了。”殷宗军说。

殷宗军介绍,当前,瓮安生物群中动物总界类群的演化发育生物学方面的研究工作才刚刚起步,仍有大量系统分类位置不明的疑难化石。其中有一些疑难化石和动物胚胎状化石外观非常类似——瓮安旋孔虫就是其中一个典型。

它为研究动物起源提供了重要线索

殷宗军表示,不同的学者根据旋孔虫囊包形态和螺旋线圈结构,认为它是大积球或者旋胞类的不同发育阶段,从而提出了多种不同的亲缘关系假说,包括刺胞动物原肠胚、八臂仙母虫的胚胎、绿藻、动物单细胞近亲等。也有学者认为它们是独立的物种,并将它们解释为单细胞生物有孔虫。但是,研究人员发现,前人提出的各种假说均不成立。

“瓮安生物群中胚胎状化石包括大积球、旋胞类、笼脊球等均发育了相似的带装饰的囊包,这一特征并不具备生物学分类意义,而是趋同演化的结果。”殷宗军解释,由于6亿年前海洋环境较为严苛,氧化还原状态不稳定,因此几乎所有的胚胎状化石都发育了相似的厚壁囊包以保护自身。“至于囊包表面的螺旋状线圈,目前还不知道它的生物学功能。这也是我们下一步想要了解的。前人也提出过一些假说,说它是生物体跟外界进行物质和能量交换的通道,比如交换气体、营养物质、排除一些废物等等,但是都没有证据来证实。”

那么,瓮安旋孔虫到底是什么?研究人员综合了旋孔虫的发育过程和形态结构特征,认为它属于动物总界的一员。“动物总界相当于人科的概念,人科包括人和黑猩猩、大猩猩等。我们目前没办法认为旋孔虫一定就是动物,证据还不是很充足。但是它为理解动物起源提供了重要线索。”殷宗军认为这一项研究最大的意义在于提出了更多的问题,而不是解决了一个大问题。比如:瓮安旋孔虫究竟是什么东西?瓮安生物群中是否有更多属于动物总界的化石类群?地球上的动物是什么时候诞生的?……

相关报道:6亿年,身世之谜终于揭开了核桃似的瓮安旋孔虫属动物一族

(化石网报道)据扬子晚报/紫牛新闻(记者 于丹丹 通讯员 盛捷):6亿年前的瓮安生物群中,有一类胚胎状化石表面上长有奇怪的螺旋状线圈,这到底是一种什么样的生物?近日,中国科学院南京地质古生物研究所牵头的国际团队,通过高分辨率显微CT和同步辐射显微断层成像技术,对这类胚胎状化石的内部结构进行了研究,最终破解了其身世之谜,发现它们属于动物总界的一员。相关研究于北京时间13日在线发表于美国《科学》杂志子刊《科学进展》上。

来自6亿年前的瓮安生物群 有助于揭开动物起源之谜

动物是如何起源的?这一直是困扰古生物学家和演化生物学家的前沿科学问题。长久以来,由于最早的动物化石记录难觅踪迹,直到埃迪卡拉纪瓮安生物群中发现了大量动物胚胎状化石后这一局面才开始发生变化。

瓮安生物群主要产于我国贵州瓮安埃迪卡拉系陡山沱组含磷地层,它以磷酸盐化方式保存了这些6亿年前的化石。所以,瓮安生物群被学界视为动物世界的黎明,它的发现揭开了地球上最古老动物的神秘面纱。

2019年11月,中科院南京地质古生物研究所与国外同行合作就曾经发布最新成果,在瓮安生物群找到了距今6.1亿年的笼脊球化石,为揭开动物起源之谜提供了重要线索。专家打比方说,如果把地球上出现的第一个动物比喻成“鸡”,那究竟有没有存在着复杂胚胎发育机制的“蛋”呢?这一研究就揭示,“先有蛋”,然后“才有鸡”。(本报2019年11月28日曾报道)

对这些胚胎状化石的研究一直没有停止。中科院南京地质古生物研究所早期生命研究团队的殷宗军研究员告诉记者,瓮安生物群中胚胎状化石的生物学属性一直充满争议。其中有一些疑难化石和动物胚胎状化石外观非常类似——此次公布成果的瓮安旋孔虫就是其中一个典型,它的表面包裹着囊包,上面长有奇怪的螺旋状线圈。

自从2006年发现瓮安旋孔虫标本以来,不同的学者有不同的假说,认为它们是刺胞动物原肠胚、八臂仙母虫的胚胎、绿藻、动物单细胞近亲等。也有学者认为它们是独立的物种,认为是单细胞的有孔虫。

扫描了300多个化石标本

否定之前所有假说

专家告诉记者,瓮安旋孔虫的生物学属性之所以存在较大争议,主要原因是其内部生物学结构不清楚。为此,中科院南京地质古生物研究所早期生命研究团队的殷宗军研究员、朱茂炎研究员和中国地质科学院地质研究所刘鹏举研究员以及英国布里斯托大学Philip Donoghue教授等合作,采用高分辨率显微CT和同步辐射显微断层成像技术,最终找到了保存精美的内部生物学结构。

“我们扫了300多个化石标本,发现内部结构保存完好只有十几个,之后再花了三年多时间一一进行分析重建。”殷宗军告诉记者,研究人员发现,瓮安旋孔虫和大积球以及旋胞类一样,具有类似的发育过程,即从单细胞期通过不增长的细胞分裂一直发育到成千上万细胞阶段。所以之前提出的各种假说均不成立。

研究人员综合了旋孔虫的发育过程和形态结构特征,认为旋孔虫属于动物总界的一员,因此旋孔虫的发育过程也为理解动物起源提供了重要线索。

囊包是为了保护自己?

更多谜底尚待解开

在显微镜下看,这些胚胎化石都包裹着一层囊包。殷宗军告诉记者,这可能是趋同演化的结果。由于埃迪卡拉纪早期海洋环境较为严苛,氧化还原状态不稳定,因此几乎所有的胚胎状化石都发育了相似的厚壁囊包以保护自身。但这种类似的囊包结构掩盖了瓮安生物群的生物多样性,意味着瓮安生物群中可能还有更多属于动物总界的化石类群未被发现,未来应该有更大的潜力值得挖掘。

相关报道:6亿年前的虫子长什么样?南京古生物学家新发现

(化石网报道)据江苏广电融媒体新闻中心(汤安佶 编辑 高若婷):6亿年前的瓮安生物群中,有一类胚胎状化石表面上长有奇怪的螺旋状线圈,这到底是一种什么样的生物?长期以来学界有各种假说,但均没有足够的证据证实。

近日,中国科学院南京地质古生物研究所牵头的国际团队,通过高分辨率显微CT和同步辐射显微断层成像技术,对这类化石的内部结构进行了研究,最终破解了其身世之谜。相关研究于2020年6月13日在线发表于美国《科学》杂志子刊《科学进展》(Science Advances)上。

动物是如何起源的呢?这一直是困扰古生物学家和演化生物学家的前沿科学问题。

探索这一问题的答案有两种途径:一种是演化发育生物学理论推测,即从分子的层面对比动物及其单细胞亲近的发育过程,在分子生物学(分子系统学和分子钟)构建的动物总界时间树(time tree of holozoan,动物总界包括所有后生动物及其单细胞近亲)的基础上,推测动物祖先的生物学特征,并重建这些特征的系统发生过程,估算其出现的时间;而另一途径则是古生物学实证研究,即通过追溯最早的动物及其近亲的化石记录,重建动物起源的过程并卡定动物起源时间的上限。

长久以来,由于最早的动物化石记录难觅踪迹,动物起源领域一直是演化发育生物学的理论研究占据主导地位,直到埃迪卡拉纪瓮安生物群中发现了大量动物胚胎状化石后这一局面才开始发生变化。

瓮安生物群中胚胎状化石的生物学属性一直充满争议,但近几年的研究进展对这些化石的认识逐渐趋向了一致:它们当中一些类群可能代表了最早的动物(包括干群动物),而另一些可能代表了动物的单细胞亲近。

尽管很难确认哪些是动物,哪些是动物单细胞近亲,但将这些胚胎状化石放置在动物总界范围内是没有争议的。因此,这些在细胞层级上保存了不同发育阶段的标本,使得古生物学家通过化石记录检验演化发育生物学家提出的动物起源模型成为可能。

当前,瓮安生物群中动物总界类群的演化发育生物学方面的研究工作才刚刚起步,其中仍有大量系统分类位置不明的疑难化石,其中有一些疑难化石和动物胚胎状化石外观非常类似——瓮安旋孔虫就是其中一个典型。

瓮安旋孔虫呈球形,发育了类似常见的瓮安胚胎状化石大积球类(Megasphaera)带装饰的囊包,囊包上还发育了一条从一极延伸至另一极的螺旋状线圈。

不同的学者根据瓮安旋孔虫囊包形态和螺旋线圈结构与大积球或者旋胞类相似而将它和大积球或旋胞类联系在一起,认为它是大积球或者旋胞类的不同发育阶段,从而提出了多种不同的亲缘关系假说,包括刺胞动物原肠胚、八臂仙母虫的胚胎、绿藻、动物单细胞近亲等。也有学者认为它们是独立的物种,并将它们解释为单细胞生物有孔虫。

瓮安旋孔虫的生物学属性之所以存在较大争议,主要原因是其内部生物学结构不清楚。但解决其身世之谜对深刻理解瓮安动物胚胎状化石的演化生物学意义和解决长久以来的争论均具有重要意义。

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