寒武紀生命大爆發(fā)
被稱為古生物學和地質學上的一大懸案——寒武紀生命大爆發(fā),自達爾文以來就一直困擾著進化論等學術界.“寒武紀”是地質史上的一個年代,因英國的一座小山而得名,期間大約是五億四千萬年前至五億一千萬年前.它的名稱并不含有特殊的意義,但它卻是一個特殊的時代.
地球大約是在46億年前誕生的.在地球誕生后的40億年時間里,地球上的生命,包括植物和動物,幾乎沒留下任何實質性的痕跡.然而,在此后不超過500萬至1000萬年的這段短短的時間里,即大約6億年前,在地質學上稱做寒武紀的開始,絕大多數(shù)無脊椎動物門在這幾百萬年的很短時間內出現(xiàn)了.這種幾乎是“同時”地、“突然”地出現(xiàn)在寒武紀地層中門類眾多的無脊椎動物化石(節(jié)肢動物、軟體動物、腕足動物和環(huán)節(jié)動物等),而在寒武紀之前更為古老的地層中長期以來卻找不到動物化石的現(xiàn)象,被古生物學家稱作“寒武紀生命大爆發(fā)”,簡稱“寒武爆發(fā)”.達爾文在其《物種起源》的著作中提到了這一事實,并大感迷惑.他認為這一事實會被用做反對其進化論的有力證據(jù).但他同時解釋到,寒武紀的動物一定是來自前寒武紀動物的祖先,是經過很長時間的進化過程產生的；寒武紀動物化石出現(xiàn)的“突然性”和前寒武紀動物化石的缺乏,是由于地質記錄的不完全或是由于老地層淹沒在海洋中的緣故.

古三葉蟲
1882年,達爾文在生命的最后一封信中談到古三葉蟲.在他看來像三葉蟲這么復雜的動物突然地出現(xiàn)在寒武紀地層中,這是不可思議的.
三葉蟲是生活在五億多年前到兩億多年前的一種已經滅絕的原始節(jié)肢動物.它的形體扁寬,背面正中突起、背上有兩道縱溝,把身體縱分為三葉形,因此而得名.
過去,寒武紀通常被稱為“三葉蟲的時代”,因為在寒武紀地層中保存有大量的比其他類群豐富的三葉蟲化石,而在寒武紀地層中,不具礦化的軟軀體動物化石從未被發(fā)現(xiàn).
科學家從寒武紀之前的古老巖層中發(fā)現(xiàn)了一些單細胞生物的化石殘骸,但它們都在不久以后銷聲匿跡了.這就好像在生命的史書上劃了一條分界線,之前不過是熱身運動,之后到了寒武紀真正的進化才開始.
一切都突然開始了,生命的形式不知為什么突然就變得多姿多彩,生機盎然,這一突發(fā)性生命創(chuàng)新事件通常稱為“寒武紀生命大爆發(fā)”.正是在這一時期,生命選擇了其基本的形式,以后也再沒有什么大的改變.當科學家們檢索寒武紀時代的化石所記載的歷史時,到處可見的是難解的謎和進化過程中的空白階段.當新的生命形式在化石記錄中出現(xiàn)時,人們找不到與之相對的原種,而當它們突然消亡時,又沒留下什么顯而易見的進化體.
“為什么我們沒有發(fā)現(xiàn)成千上萬的過渡類型化石埋藏于地殼中呢?” 達爾文痛苦地意識到,地層斷層中確實缺少此類化石的存在.這一事實一直困擾著達爾文,以至于他在書中用了一整章來討論“地質記錄的不完整”.
布爾吉斯動物群的發(fā)現(xiàn)
1909年8月,美國地質調查所所長維爾卡特帶領全家到加拿大落基山脈的布爾吉斯山去野外地質旅行.回程的路上,一塊石頭絆倒了他夫人的坐騎,維爾卡特撿起這塊作怪的石頭,奇跡出現(xiàn)了,一塊保存有軟體動物的化石顯現(xiàn)在維爾卡特面前.
后來,經過大規(guī)模的發(fā)掘、采集后,布爾吉斯動物群給當時科學界造成極大震撼.它使科學家第一次清楚地認識到,在寒武紀海洋中具有骨骼化的動物僅僅占少數(shù),絕大多數(shù)是不易保存的軟軀體動物門類,糾正了人們對寒武紀僅存有三葉蟲等少數(shù)硬體動物的錯誤認識.
化石記錄了五億一千五百萬年前寒武紀中期無脊椎動物驚人的豐富,被科學界視為生命起源和早期演化的重要依據(jù),為破解寒武紀生命大爆發(fā)之迷提供了重要線索.
由于地質保存上的缺陷,布爾吉斯動物群化石沒有立體的層面,很多的動物形態(tài)只能依靠推測.
1981年,加拿大布爾吉斯動物群被聯(lián)合國教科文組織批準為“世界文化遺產遺址”,成為全世界古生物學者關注的圣地.
寒武紀生命大爆發(fā)的代表——云南澄江動物群
在昆明東南方50多公里的地方有一座小城.境內有著名的撫仙湖,湖水清澈純凈,可直接飲用,小城也由此而得名澄江.但是,誰也料想不到一本破解地球生命的天書,就埋藏在澄江這座不起眼的帽天山下.對古生物學家侯先光教授而言,1984年他在澄江帽天山的那次重大發(fā)現(xiàn),至今還使他無法平靜.
在澄江帽天山的半山腰有一座外形奇特的建筑,這是中科院南京古生物所的野外工作站.它由中國著名建筑師齊康設計,其設計靈感來自在帽天山上發(fā)現(xiàn)的一種寒武紀生物--灰姑娘蟲.
1984年7月,南京地質古生物研究所侯先光研究員在云南澄江縣帽天山發(fā)現(xiàn)了第一塊早寒武紀動物化石長尾納羅蟲.這次發(fā)現(xiàn)可以說是很偶然的事件,侯先光原來的意圖是到澄江來尋找金碧蟲的化石,沒想到無心插柳,意外獲得了這塊長尾納羅蟲的化石.
那年6月,侯先光在導師張文堂的指導下,赴云南為碩士研究生論文搜集古介形類化石.
1984年7月1日,下午3點鐘左右,侯先光在一大堆石塊中隨手拿起一塊,一錘下去——一個栩栩如生的蟲體出現(xiàn)了.這是一條寒武紀早期的無脊椎動物,屬于知名的古生物學家維爾卡特于1909年在加拿大發(fā)現(xiàn)的布爾吉斯動物群的一個重要成員.國外科學家認為納羅蟲是最早出現(xiàn)的硬體生命之一,在亞洲大陸還是首次發(fā)現(xiàn),而且還保存有附肢.這一發(fā)現(xiàn)意味著,寒武紀生命大爆發(fā)的證據(jù)就在腳下.后來,這一天成了澄江動物化石群的紀念日.世界著名古生物學家、德國的塞拉赫教授稱：“澄江動物群的發(fā)現(xiàn)就像是來自天外的信息一樣讓人震驚.”美國《紐約時報》稱：“中國澄江動物群的發(fā)現(xiàn),是本世紀最驚人的發(fā)現(xiàn)之一”.
侯先光帶著這一重大成果返回南京,寫出了發(fā)掘報告,并與導師張文堂教授撰寫了研究澄江動物化石的論文《納羅蟲在亞洲大陸的發(fā)現(xiàn)》,師生倆在文章中把澄江發(fā)現(xiàn)的古生物正式命名為“澄江動物化石群”.從此揭開了而后二十年讓世人不斷驚訝的序幕.
一系列的野外發(fā)掘和研究工作由此開始.不斷的發(fā)現(xiàn)和探索,將五億三千萬年前的生命世界展現(xiàn)了出來.
消息傳出后,一批批國內外地質學家和古生物學者蜂涌而至,一批又一批形態(tài)各異的化石被挖掘出來,人們從未見過保存得如此完整的生物化石：不僅保存了生物的骨骼,還保存了表皮、纖毛、眼睛、腸胃、消化道、口腔、神經等各種軟組織.其中,水母狀化石的觸手、輻管、環(huán)肌、中央腔和口部構造清晰可見,蠕蟲化石的體環(huán)、吻部構造、消化道和尾刺完整無缺,腕足動物化石則顯示出從外殼向外伸出的粗壯的肉莖.以或卷曲或斜躺或平直姿勢埋藏的納羅蟲化石,完好地保存著它們的軟軀體構造,甚至連腸道中充滿的食物也清晰可見,顯示著其在臨死之前還曾經飽餐一頓.具有網狀骨片的微網蟲,即使活著時保持站立的姿勢就已經很不容易,有的竟然可以在死后仍然保持立姿.這些化石是世界其他地方難得一見的帶軟軀體構造的化石.5億年前生物的軟軀體構造居然能成為化石陳存在巖層中,這是澄江化石最為獨特之處.
專家從澄江古生物化石群發(fā)現(xiàn),現(xiàn)今世界上所有的動物的門都在這一時期同時出現(xiàn),而且之后再沒有產生新的門.這一時期出現(xiàn)的生命的形狀同今天的生物已很相近,從星形對稱的海星到左右對稱的甲殼綱動物,以及具備脊椎雛形的動物等.在云南省澄江縣發(fā)現(xiàn)的動物化石中,即使不包括現(xiàn)在已經絕滅了的門,所發(fā)現(xiàn)的動物的門仍多達20個,而現(xiàn)在地球上熱鬧非凡的上千萬種生物總共才35個門.這說明,在寒武紀早期,動物多樣性的基本體系就已經建立了.

1989年,真正的完整的微網蟲化石在帽天山出現(xiàn),令科學家大跌眼鏡.原來,困惑了古生物學界幾十年的這些骨片,就長在一個蠕蟲一樣的生物體內,身體兩旁.
微網蟲是絕滅了的多腿緩步類動物.身體長4到6厘米,頭短而小,尾長.其腹部兩側具有成對的腿,不善行走,用帶爪的腿攀附在其它生物體上,是澄江動物群的珍稀化石.
陳均遠教授發(fā)現(xiàn)的微網蟲使得帶網孔骨片的化石在分類學上的定位問題得到了解決.美國哈佛大學的古爾德教授撰文寫道：因為微網蟲完整化石的發(fā)現(xiàn)和研究,使得人類科學的歷史又向前跨越了一步.

澄江動物化石群的又一重大貢獻,就是發(fā)現(xiàn)了完整的奇蝦化石,證實了早寒武紀即存在肉食動物. “奇蝦”并非真正的蝦,它是寒武紀海洋里最大最兇猛的食肉動物.1992年帽天山北坡修筑公路,推土機推出了一個巨大的斷面,最完整的奇蝦化石終于顯形了.
奇蝦的第一塊化石早在1892年發(fā)現(xiàn)于加拿大.其實這只是奇蝦的一個前肢,當時卻被錯誤地認為是某種蝦狀動物的身體,但令人困惑的是,總找不見蝦頭.直到在澄江帽天山發(fā)掘出三塊最完整的奇蝦化石,才使古生物學上長達一個世紀的誤解終于被澄清.原來,布爾吉斯發(fā)現(xiàn)的“奇蝦”只是一種大型食肉動物的一只“手”而已.在過去的100多年間,科學家們一直認為奇蝦是無腿的大怪物,而澄江出土的奇蝦化石腹部都有粗壯成對的腿.
奇蝦是巨型肉食動物,頭背部有一對莖狀眼,口腔前側有一對強壯的用于捕捉獵物的巨形前肢.根據(jù)其化石碎片推測,這類動物體長可達2米以上,它的嘴直徑可達25厘米,而當時動物的平均大小卻只有幾毫米到幾厘米.相比之下,奇蝦是所向無敵的巨無霸了.后來,日本科學家根據(jù)化石復原模型和研究成果做出了奇蝦的模型.我們看到,科學家模擬出來的這種動物,有長長的觸角和胡須,像蝦一樣的殼和尾翼,軟軟的身體下部有一個方形的口,用來過濾海水,獲得食物.
奇蝦的出現(xiàn),標志著在寒武紀初期,海洋的生態(tài)系統(tǒng)已經有了相當完整的金字塔式的食物鏈系統(tǒng),而奇蝦就是位于這個金字塔頂端的生物.


1991年,候先光教授在帽天山發(fā)現(xiàn)了一種蠕蟲狀動物化石,命名為“云南蟲”.當初,由于某些特征難于解釋,它被放在分類位置不定的蠕形動物.四年后,南京地質古生物研究所陳均遠教授在英國《自然》雜志上首次提出云南蟲屬最古老的脊索動物,拉開了它們神秘的面紗. 而西北大學舒德干教授,由相同的線索,引出了不同的結論.“它已經超出了非脊索動物的范圍.但是,我覺得因為它沒有肌節(jié),沒有真正的脊索,也就是說不具備真正脊索動物的兩個基本特征.” 半索動物的論證遭到陳均遠的駁斥,他極力支持云南蟲是脊索動物. 爭論往往是發(fā)現(xiàn)的契機.1999年4月,陳均遠教授等在昆明?？诙拇宓纳狡律习l(fā)現(xiàn)了云南蟲的近親“?？谙x”,把澄江動物群的研究推向了高潮. 海口蟲向世人提供了一幅清晰的大爆發(fā)早期的、不容置疑的脊索動物的快照. 同年11月,西北大學舒德干教授等又在昆明?？诘貐^(qū)發(fā)現(xiàn)了保存極為完善的“昆明魚”化石,再次引發(fā)科學界的大震憾. 澄江動物群的“海口蟲”、“昆明魚”等珍奇化石的發(fā)現(xiàn),使古生物學界形成了共識.在前寒武紀末期至寒武紀初期,地球上確實發(fā)生了一次生物門類大創(chuàng)新事件,而且,現(xiàn)今的動物界無脊椎動物和脊椎動物兩大類都參與了這次大爆發(fā)事件.
在這些動物化石研究中,最令人激動的是被命名為“云南蟲”的一種動物,它是最古老的脊索動物,它的發(fā)現(xiàn)和研究,將包括人類在內的脊椎動物的歷史向前推進了1000多萬年.地質時代中生代的脊索動物恐龍,地質時代新生代的脊索動物哺乳類動物以及后來的人類,它們的共同祖先是"云南蟲".
根據(jù)科學家推斷,“云南蟲”當時為了獲得在海中游泳的能力,在各體節(jié)內發(fā)展了肌肉,利用肌肉收縮來使身體呈現(xiàn)波浪運動.它的體內有一條貫穿前后的軟管,作為椎骨,還有一對很小的側折,后來演化成哺乳類的四肢,以及我們人類的臂和腿
2002年1月15日,云南省古生物學家羅惠麟、陳良忠、胡世學在昆明地區(qū)早寒武世澄江動物群化石中發(fā)現(xiàn)了?？谌A夏魚、中新魚兩種新物種化石,此發(fā)現(xiàn)填補了從頭索動物進化到脊椎動物的空白,一個寒武紀生命大爆發(fā)的壯觀圖景、一個生命演化的完整鏈條已經清晰地展現(xiàn)在人們面前.圖為最新發(fā)現(xiàn)的中新魚化石,從這塊古老的化石上,能清晰地分辨出“魚”的頭部及背鰭、嘴和眼睛等器官.其實,這條化石“魚”屬原口動物綱,是最原始的軟體脊椎動物.