地球形成于46 亿年前,生命诞生于40 亿年前, 而直到距今约5.6-5.2 亿年前的埃迪卡拉纪向寒武纪过渡时期,绝大多数现生动物门类的祖先才相继在地球上爆发式出现。这一生命演化事件被科学家称为“寒武纪大爆发”。

寒武纪大爆发是全球性重大生命演化事件,记录于世界各地寒武纪早期的地层中。我国地域辽阔,沉积地层完整,生物化石资源丰富,较完好地保存了寒武纪大爆发的“事发现场”。尤其是在我国南方发现的云南澄江生物群和湖北清江生物群,完美地再现了寒武纪的海洋世界,是研究寒武纪大爆发最理想的化石宝库。相比之下,华北地区因缺失寒武纪最早期的地层而长期被“冷落”。

寒武纪生命大爆发时期华北的“小壳化石”

华北有寒武纪大爆发极盛时期的含磷地层,其中出产丰富的多门类无脊椎动物骨骼化石。这些化石个体微小,只有毫米级大小,一般被称为“小壳化石”。它们以磷酸盐化形式保存,保留了动物骨骼原有的微观结构,不仅是寒武纪大爆发的证据之一,也是研究寒武纪生物矿化的理想“窗口”。为了揭示寒武纪大爆发在华北的体现和影响,自2010 年起,西北大学早期生命与环境研究团队与中科院南京地质古生物研究所合作,对华北寒武纪地层中的“小壳化石”进行了专题研究,取得了许多原创性研究成果,在国内外着名学术刊物发表论文15 篇,为解决寒武纪大爆发时期的生命演化、生物矿化和古地理等科学问题起到了重要的促进作用。

寒武纪长期被认为是三叶虫的时代。澄江生物群、清江生物群等能够保存动物软躯体的化石群的发现揭示,寒武纪海洋中除了三叶虫和软舌螺等有骨骼的动物之外,还生活着丰富多样的没有骨骼的动物。目前在华北寒武纪“小壳化石”中已发现的53 属60 种动物中,各种海螺和贝壳就占了24 属26 种,展现了一个别样的“贝壳”世界。由此可见,我们对寒武纪的认识随着研究的深入会不断地被刷新。

寒武纪时期,中国的南方和北方是两个独立的小板块,位于冈瓦纳超大陆(由非洲、南美洲、南极洲和大洋洲构成) 周边,它们究竟在超大陆的哪个方向长期以来没有结论。我们通过化石属种对比发现,华北的“小壳化石”组合与冈瓦纳超大陆东侧,尤其是南澳大利亚地区同时期的化石高度相似,包含39 个共有物种;而我国南方和北方同时期仅有9 个共有物种。因此,我们认为寒武纪时期我国南方和北方可能相距甚远,华北板块可能很靠近澳大利亚。

而更为重要的是,华北寒武纪“小壳化石”能够在微米和纳米尺度上保存骨骼的微细结构。这些结构能告诉我们寒武纪的动物是如何通过调控矿物的生长、排列和构架,从而建造自己的“盔甲”“武器”“居室”等矿化组成部分。通过研究华北“小壳化石”表明,海螺和贝壳曾由简单的纤维结构快速演变成具有空间多等级的复杂结构,矿化能力在寒武纪早期已达到了很高的水平。在微观尺度上对动物骨骼的研究也能让我们更加明确一些已绝灭动物的演化关系。例如开腔骨的身体构型简单,状如海绵,但其骨骼具有典型的纤维状文石结构,并且被一层有机质所包裹,体现了有机模板调控的矿化方式,这与海绵动物完全不同,因此纠正了之前将开腔骨视为海绵的判断。

总之,“小壳化石”不仅能反映动物门类的多样性,展示发生在华北的轰轰烈烈的生命演化事件,而且有助于解读寒武纪大爆发时期生物矿化作用的机制和演化,让我们理解动物如何强化躯体,从而抵御危险,并繁盛于寒武纪海洋。