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“蠕虫租房”,租出了重大科学发现?

相信很多人都有过租房的体验,对初到大城市的打工人来说,租房是获得一个落脚之地的快捷办法。除了人类,动物也会“租房”。

最近,云南大学古生物研究院张喜光、杨杰研究团队发现了一次对科学研究意义重大的“蠕虫租房”,还发表在了美国《细胞》出版集团子刊《当代生物学》上。

动物是如何“租房”的?为什么小小几只蠕虫的“租房”行为能对科学研究起到这么大的作用?接下来让我们一探究竟。

“蠕虫租房”,租出了重大科学发现

在动物界,一种生物占据了其他生物的外壳并且住在里面的“租房”习性,我们称之为“寄居行为”。寄居行为可以出现在不同动物类群中,而最广为人知的寄居生物,就是沙滩上那一只只背着海螺壳爬行的寄居蟹。

这些生物更偏向于寄居在腹足类的贝壳中,但是有时也会选择住在多毛类或有孔虫建造的管状壳中。贝壳可以保护寄居生物的身体并抵御环境的剧烈变化,还可以帮助寄生生物抵御捕食者。

营寄居生活的动物类群(A.寄居蟹;B.腹足动物壳体中的倭革囊星虫;C.有孔虫壳管中的福氏虫科环节动物)

(图片来源:云南大学官网)

这次被云南大学张喜光研究团队发现的5亿年前的“租房”行为,是鳃曳类蠕虫(一种海洋底栖动物)寄居在了一个软舌螺留下的空管。研究团队在昆明采集到了4枚鳃曳类蠕虫的化石,这些化石呈现出非常有趣的形态,每一个体的后部都掩藏在了一个软舌螺的管中,而且虫体的直径比软舌螺管的直径要略小一些。这一形态表明这种蠕虫曾“隐居”在软舌螺空管中,以此来躲开捕食者。

鳃曳类蠕虫展现的寄居生活方式(图片来源:云南大学官网)

为什么“蠕虫把它小小的身子塞进软舌螺空管”这一看似简单的寄居行为,却是让科学家们惊叹的大发现?

原来,虽然在现代生态系统中寄居行为广泛存在,但对于寄居行为的起源,在此次鳃曳类蠕虫化石发现之前,最早的化石记录仅仅追溯到近2亿年前的侏罗纪早期。而此次发现证明了寄居这一生活习性在大约5亿年前的寒武纪早期就已经出现。

为了更好地解释这一问题,我们要先从寒武纪生物大爆发讲起。

寒武纪生物大爆发是什么?

提起很久很久以前的地球,你或许会想起侏罗纪种类繁多的恐龙。恐龙漫步过的地球距今有两亿多年的历史,已经让人难以感知时间长度。而我们这次发现的“租房蠕虫”,生活在比恐龙还要再早足足两亿多年的寒武纪。

寒武纪在漫长的地球历史中是一个极具标志性的地质年代,它是显生宙第一纪。显生宙从距今约5.7亿年前开始,由于那时的地球上首次出现了肉眼可见的复杂生命,因此被称为显生宙,即“看得见生物的年代”。从显生宙开始,地球上逐渐演化出较高级的动物,它们具有了外壳和清晰的骨骼结构。

寒武纪之所以具备标志性,就是因为它有个显著特征――动物在地球上的快速出现和爆发式演化,这被称作是寒武纪大爆发。寒武纪大爆发的持续时间大约是四千万年,在这不到地球历史1%的时间里,却诞生了大多数现生动物门类的祖先。与此同时,各动物门类发生了快速的生态类型分化和生态领域扩张,导致了以动物为主导的海洋生态系统初次形成,奠定了显生宙以来海洋生态系统演化的基础。

寒武纪大爆发期间出现的各门类动物(图片来源:参考文献3)

美国古生物学家Preston Cloud认为,寒武纪早期的动物门类大爆发共经历了三个阶段:第一阶段中快速出现显著的变异;第二阶段中变异迅速地扩散至各个生态空位;最后第三阶段中有限的生态位趋于饱和,选择压力增加,导致适应能力差的弱势类群灭亡,进入常态化演化阶段。这一“爆发式演化”假说得到了现在学界的普遍认同。

但是在此之前,提出了进化论的生物学家达尔文,在他的第一版《物种起源》第九章“论地质记录的不完整性”中认为,多门类化石在最老含化石地层中突然出现的现象,对他的理论造成很严重的挑战。后人常常称之为“达尔文的困惑”。

为了合理解释这一现象,达尔文提出,寒武纪大爆发是由地质记录保存不全造成的假象。他认为在最早的化石记录之前,生命还有相当长的一段演化时间,但是更早的化石由于种种原因无法保存,从而给人类造成了生物大爆发的错觉。

直到目前,仍有学者持有相似的学术观点,认为寒武纪大爆发是“化石的爆发”,并非真实的生物演化事件。

要判断到底谁的观点才是对的,就要用实打实的化石证据来证明寒武纪时期的真实状况。

中国――世界上罕见寒武纪生命大爆发和辐射进化的化石库

幸运的是,中国地大物博也体现在了化石和化石群中。发现于中国的一系列重要化石和化石群,极大地帮助和支持了Preston Cloud的寒武纪爆发式快速演化假说。

近年来,我国的地层中不断发现重要化石和化石群,包括梅树村动物群、岩家河生物群、澄江动物群、遵义动物群、关山动物群、石牌动物群和凯里动物群等等。这些化石群被发现于不同的沉积环境,包括磷酸盐化、硅酸盐化、碳质膜和布尔吉斯页岩型等各种保存方式;化石类型不仅包括胚胎和骨骼化石,还包括保存有软躯体动物各种生物组织和器官的特异埋藏化石。这些化石和化石群,推动了中国古生物研究在国际学术界取得重要一席。

例如澄江生物群于上世纪80年代被发现。我国古生物学家张文堂、侯先光、陈均远等在云南澄江帽天山中发现了这一再现5.2亿年前寒武纪时期海洋生物多样性的化石库。澄江生物群的发现,彻底改变了达尔文有关“甲壳动物”长期起源和化石记录不完备性的论断,说明了现代动物多样性的面貌在寒武纪大爆发过程中已基本形成,也使人类看到5.2亿年前海洋生物世界的多样性和其绚丽多彩的壮丽景观。

澄江生物群中的后口动物复原图(图片来源:参考文献9)

清江生物群被傅东静等科学家发现于中国宜昌清江与丹江河交汇处,它距今5.18亿年左右,是主要由软躯体化石组成的特异埋藏群。与其他相关生物群对比,清江生物群的化石软躯体生物类群最多,化石形态保真度最优,原生有机质的埋藏保存最好。清江生物群的发现,为探索寒武纪生命大爆发时期,古生物环境条件如何影响生态结构及演化驱动因子提供了令人兴奋的机会。

清江生物群生态环境再造图(图片来源:参考文献8)

而本次云南大学古生物研究院张喜光、杨杰研究团队的发现,不但刷新了寄居行为模式迄今已知最早的化石记录,而且提供了证明寒武纪生态系统复杂性的直接证据。

“寒武纪大爆发”时主要动物类群迅速向多样化发展,之前的理论认为,生态系统多样化带来的复杂性加速了这种演化辐射。这次,中国的科学家在古老的化石中为这一理论找出了直接证据。结合近年来发现的寒武纪早中期生物偏利共生、窃食寄生和内共生等各种依存关系,表明寒武纪生态系统可能比人们此前认知的更加复杂。

鳃曳类蠕虫的生态复原图(张志谦画 图片来源:云南大学官网)

一沙一世界,一颗尘埃大小的化石里或许记录着上亿年光阴,一块块不起眼的石头却可以帮助科研人员探寻地球生命的奥秘。“古生物学是冷门学科,作为科研人员,我们唯有长坐‘冷板凳’,用数十年如一日的热情才能慢慢接近它,”张喜光教授在一篇报道中说,“但是取得成就的那一刻,我们是很兴奋的。”

让我们向中国科研人致敬!

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