關於5億多年前這種蟲的最新發現,和人類起源有啥關係?

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*本文為「三聯生活週刊」原創內容

我們所說的’古老’‘原始’是指雲南蟲具有更原始性狀特徵,更接近脊椎動物的演化源頭。”

記者|薛芃

7月8日,美國《科學》(Science)期刊上發表了中國對寒武紀早期生命研究的最新成果,指出在5.18億年前的雲南澄江動物群中, 雲南蟲的咽弓具有細胞軟骨結構,而這一特徵是脊椎動物獨有的,因此可以確認雲南蟲是脊椎動物中最原始的類群。 此一發現由中國科學院南京地質古生物研究所(以下簡稱南古所)和南京大學地球科學與工程學院共同完成。

雲南蟲生態復原圖(楊定華繪圖)

在此之前,學界認為同樣出自澄江動物群的昆明魚是脊椎動物的先祖,並且搭建出一條從魚到人的演化鏈條。那麼,雲南蟲是一種什麼樣的物種?脊椎動物的源頭究竟在哪兒?這一發現可以把同為脊椎動物的人類之祖歸到雲南蟲上嗎?帶著這些疑問,本刊在第一時間專訪了課題組重要成員南古所研究員趙方臣,請他談談這一僅有三四釐米大小的雲南蟲化石,以及地球早期脊椎動物的面貌。

雲南蟲是什麼?

寒武紀是距今約5.38億至4.85億年的地質時代,非常遙遠,可知的資訊很少。通過尋找化石,地質工作者、古生物研究者正在不斷揭開那個時期的生命世界。常規的化石多是貝殼、骨骼,或是動物的一些硬質結構,它們比較容易儲存下來,而肉體或者說軟組織,基本都腐爛掉了。“ 但令人驚奇的是,距今5.18億年前的澄江動物化石群儲存了極為精美的軟軀體形態構造。 這就有利於我們對動物化石去做深度研究,和現生動物進行解剖學結構的形態對比,去探索動物的起源、動物門類的分異,瞭解它們之間的關係。”趙方臣說道。

雲南蟲是一種全身軟軀體的動物,呈蠕蟲狀,通常長3至4釐米。在形成化石的過程中,隨著泥質沉積物在成巖過程的壓縮,化石也被壓扁,封存起來,所以我們看到的很多化石都是扁平的。雲南蟲自然也是。而且雲南蟲沒有堅硬的骨骼,所以它壓扁的程度更高,在化石裡看,其實就是薄薄的一小片。

雲南蟲標本,化石體長3.9釐米(趙方臣 供圖)

一般情況下,雲南蟲化石是鉛灰色,身體前部有明顯的鰓弓,鰓弓上有鰓絲,這是它原始的鰓。貫穿身體中間有一個脊索樣的結構。通常在身體腹側的位置,還可以看到它的消化道。在消化道兩側,可以看到四個圓點,不過這在不同的化石上不一樣,有些化石儲存了,有些則沒有,科研人員推測這可能是生殖腺體。在它的背部,會有等寬距的條紋狀結構,被稱為肌節。它總體上就是這個形態。

在整個澄江動物群裡,雲南蟲的儲存數量是相對稀少的,也就是說,儲存丰度較小。 如果要統計雲南蟲在整個澄江動物群中的佔比,很難給出確切數字,只能說肯定不到1%,甚至更少。

但又怎麼來理解這個儲存丰度呢?雲南蟲分佈的範圍在澄江地區,最早是1991年由南古所侯先光發現的,當時的位置是澄江帽天山一帶。後來在1999年的時候,南古所陳均遠又在滇池邊的昆明海口鎮發現了類似雲南蟲的標本,當時叫海口蟲,有的學者認為這兩處發現的為同一物種。

雲南大學收藏的雲南蟲標本,呈群體出現的面貌 (黃宇|攝)

這樣雲南蟲化石就主要集中在帽天山和海口這兩個地區。 但並不是每一個點位都能大面積產出雲南蟲,它的產出集中在固定某些層位,基本上是寒武紀帽天山頁岩段的中下部層位。 澄江動物群中以節肢動物、蠕形類、腕足類為主,往往敲上上千塊岩石,也敲不出一塊雲南蟲化石,而一旦幸運地找對層位,也許就會收穫豐富。

帽天山是澄江動物群化石主要產出的地方,帽天山頁岩段岩層出露有50多米厚,有的地方甚至更厚,它的大量寒武紀化石都集中在中部十幾米的範圍內,各個物種混雜地分佈在不同層位上。 雲南蟲的分佈不是零散的,而是集中的,研究者通常這樣描述:它出現的頻率比較小,分佈有限,但在特定層位的個體丰度比較大。 它們的生活是群居式的,因此在儲存有云南蟲的層位就非常富集。

為什麼是雲南蟲?

雲南蟲最初被發現之後,因為它身體結構的特殊性,很難給它歸類,通常會把它歸類為蠕蟲狀的疑難化石。

1995年,陳鈞遠最早把雲南蟲歸入脊索動物門中,這迅速引起了國際古生物界的關注。因為脊索動物門是動物界裡最高等的一門,包括頭索動物、尾索動物和脊椎動物三個亞門。其中頭索和尾索都是無脊椎動物,這兩類動物的軀體記憶體在脊索,但還沒有形成脊椎。

脊索是一種有韌性支撐的棒狀結構,位於這類動物軀體的中軸、消化管的背側,背神經管腹側,能夠起到支撐動物的身體的作用。 從脊索到脊椎,是一個極為重要的演進過程。 脊椎動物在胚胎期的時候是有脊索的,在發育成體的過程中,脊索被脊椎骨取代,並且脊椎包裹住背神經管,這時候脊索消失。從成分上簡單來說,脊椎是骨質的,而脊索不是骨質的。

帽天山上發現了大量的寒武紀化石標本,雲南蟲化石就在其中(黃宇|攝)

一直以來,學界都對脊椎動物這個亞門和整個脊索動物門格外感興趣, 因為人類這一支就是脊椎動物,大家都很想去探尋脊椎動物的起源,從而也找到人類起源的蛛絲馬跡。 當提出雲南蟲屬於脊索動物時,就意味著,它和脊椎動物可能非常接近。再加上寒武紀的時間太過久遠,自然會引來很大關注。

1999年,陳鈞遠採集了一批雲南蟲之後,帶回所裡。根據其形態,發現了很重要的一些結構特徵,發現了具有脊索動物的脊索、背神經索和鰓裂三大特徵化石證據,但其7對鰓裂明顯不同於頭索動物數量眾多的(可高達180對)的鰓裂,同時它們又具有與脊椎動物七鰓鰻相似的頭部特徵(腦和眼)。另外,與頭索類“V”字形和七鰓鰻“W”字形的肌節不同,雲南蟲的肌節平直而簡單, 這些特徵令陳均遠等人將雲南蟲歸為原始有頭類,認為其演化位置介於頭索動物文昌魚和脊椎動物七鰓鰻之間,並發表在《自然》(Nature)雜誌上。

但這個結論引來的爭議非常大。儘管雲南蟲類的標本數量大,但是不同地點的埋藏差異也非常明顯,不同學者對儲存各異的軟體組織和構造細節的解釋存在較大差異,特別是有關脊索和肌節構造的解釋差異導致其分類位置存在疑問。

化石館裡還原了80年代科考人員挖掘礦石的場景(黃宇|攝)

過去的30年裡,雲南蟲類曾被歸類於脊椎動物、頭索動物、半索動物、後口動物幹群甚至原始的兩側對稱動物。巨集觀形態學證據,受到埋藏儲存等因素的影響,不同學者解釋上的差異,使得化石的研究陷入困境,使得探索其身份之謎變得撲朔迷離, 雲南蟲分類位置存在的爭議嚴重影響了這類關鍵化石對脊椎動物起源的約束作用。 所以南古所的研究者們就越來越想搞清楚:雲南蟲到底是什麼?

“在最新的研究中,我們試圖從微觀結構看看是否能通過微米及納米超微結構來找到新的線索。”趙方臣說。實現這一點,也得益於現在各種先進的技術手段。三維X射線斷層掃描顯微鏡、掃描電鏡和透射電鏡,這些裝置在不同尺度下觀察的解析度不同,看到的結構特徵就不一樣,最精細可到納米級;還有傅立葉紅外光譜、拉曼光譜,可以通過譜學來分析化石的元素成分。

如果能發現典型生物學分類特徵結構後,就可以把很多問題解釋清楚。“比如現生的脊椎動物,在胚胎髮育階段其咽弓上有軟骨細胞形成軟骨,這在雲南蟲身上可以看到;再比如我們在雲南蟲咽弓殘留有機質碳膜上發現了蛋白微原纖維形態構造,這是脊椎動物軟骨常見的細胞間基質的纖維結構,微原纖維是有一定韌性和柔性的,是軟骨細胞間質主要的蛋白纖維結構。”趙方臣解釋道。

澄江地區以細膩的泥沙岩儲存了大量寒武紀動物化石標本(黃宇|攝)

簡單概括,通過高解析度成像分析,在雲南蟲咽弓上發現了微納尺度三維儲存的疊盤狀細胞結構和蛋白微原纖維構造。疊盤狀細胞結構是軟骨細胞獨特的排列方式,而蛋白微原纖維是脊椎動物軟骨常見的細胞間基質的纖維結構。 這兩個特徵證明雲南蟲具有脊椎動物獨有的、由細胞軟骨構成的咽弓,表明雲南蟲屬於原始脊椎動物,是脊椎動物的基幹類群。

什麼是基幹?這是系統發生樹的概念而來。如果我們把地球上所有的生命看作一棵大樹,簡單來說,演化到現在動物型別叫作冠群,在這棵樹的頂部,早期那些古老的、後來滅絕的物種則處在樹幹的位置,也就是幹群。這麼看來,雲南蟲就是脊椎動物的最基部的基幹類群。

填補從無脊椎到脊椎的演化鏈

在此之前,學界認為昆明魚是最早的脊椎動物。 1999年,西北大學早期生命研究領域的古生物學者舒德干,帶領團隊發表了有關昆明魚和海口魚的研究,刊發在《自然》(Natrue)期刊上。 這一發現將人類對脊椎動物的記錄前推了近5000萬年。 那麼,雲南蟲又與昆明魚有什麼區別,為何可以將它看作更古老的脊椎動物?

“我們現在將雲南蟲歸入脊椎動物,這並不意味著把脊椎動物的存在歷史前推,也不應該直接說雲南蟲就是我們人類的祖先。很多人會有這種誤解。 我們所說的‘古老’‘原始’是指雲南蟲具有更原始性狀特徵。 比如現在鯊魚是軟骨魚,對比更進一步的硬骨魚來說,鯊魚更原始,保留了更多的祖先特徵;再比如現生的七鰓鰻,它是無頜類,儲存了更古老的性狀特徵比有頜類。”趙方臣說道。

昆明魚具有非常典型的原始脊椎動物的特徵:昆明魚存在明顯的頭部,頭部有眼睛,在身上有明顯的“V”字形或“W”字形的肌節,且有腮裂和肛後尾特徵。最重要的一點是,它有明顯原始脊椎結構,是一種更接近我們現代脊椎動物的類群。

最早發現寒武紀澄江動物群化石的山體部分(黃宇|攝)

再來看雲南蟲,它也具備典型的脊索動物特徵,有腮裂、肛後尾,身上的肌節,也有脊索特徵。把它放到脊椎動物裡,是因為它的鰓弓具有軟骨細胞形成軟骨,這就說明它已經形成了神經嵴細胞。這類細胞非常特殊,在現生脊椎動物發育過程中,在細胞胚胎期的時候,就可以遷移到咽弓生長的位置,形成軟骨細胞構成軟骨的咽弓。這是非常重要的發育生物學特徵,無脊椎動物都沒有這個結構。 它相當於從無脊椎到脊椎動物的演化中間的一個典型物種的化石代表,處於脊椎動物基幹類群。

在寒武紀這個時候,雲南蟲和昆明魚是幾乎同時存在的,都是澄江動物群裡的典型化石。從性狀特徵來看,雲南蟲則要比昆明魚更原始,它們都屬於早期生命中的基幹脊椎動物。

2022年7月8日,南京,中國科學院南京地質古生物研究所研究員趙方臣展示原始脊椎動物雲南蟲化石。(泱波(江蘇分社)/中新社/視覺中國

用科普的方式來說,人類是從魚一步一步演化到現在的,這樣說比較容易理解,但並不嚴謹。 實際上,更多的化石都是‘姐妹群’,就像我們現在這個時代,有猴子、猩猩、人類,雖然都是由共同的祖先分化,進而演化而來的, 但並不能說猴子能演化成人類,這是流傳的一個經典的“進化論”宣傳,但這種說法是不對的。 只能說猴子保留了更多祖先特徵,但是現在的猴子永遠不可能演化成人類。 演化是一個歷史過程,它有很多偶然性、隨機性和選擇性,早期生命也是這樣的。 因此,也不能簡單地說雲南蟲是人類的祖先,而是說雲南蟲是脊椎動物起源的關鍵型別,它呈現出重要的早期脊椎動物演化特徵,這樣比較準確。”趙方臣補充解釋道。

寒武紀大爆發的核心,是動物門類的起源和生態系統的複雜化。所有的研究,都是在為這個大命題添磚加瓦。研究雲南蟲,在脊椎動物起源的問題上又往前走了一小步。現在可以看到,在寒武紀那個時候,脊椎動物雖然不佔主流,但已經出現了多樣性的面貌,澄江動物群中的雲南蟲、昆明魚、海口魚,以及布林吉斯頁岩生物群的布里斯格魚等,都屬於原始脊椎動物。

澄江化石世界自然遺產博物館(黃宇|攝)

基於現在的研究,還有很多問題擺在眼前,比如脊椎動物的起源是什麼時候?是否還能在更古老的地層中發現比雲南蟲更古老的脊椎動物化石?又或者,脊椎動物的形成沒有發生在更早的時間,而是在寒武紀時期快速分異而形成的?

現在的研究只是基於現有的化石,試圖從無脊椎到脊椎動物的變化找到一個突破口。 而實際上,從無脊椎到脊椎動物是一次巨大飛躍,這中間應該經過很多環節,以及更多不同的化石證據。 每一項科學研究,都是在不斷去填補這條演化鏈,使我們更清楚地認識到脊椎動物的起源和演化歷程。

(本文源自《三聯生活週刊》本週新刊2022年第29期《 雲南蟲研究:探尋脊椎動物的先祖 》, 本文寫作部分參考了由採訪物件提供、發 表 於 美 國《 科 學 》 雜 志 的 論 文 :Qingyi Tian, Fangchen Zhao*,Han Zeng,Maoyan Zhu, Baoyu Jiang*,2022. Ultrastructure reveals ancestral vertebrate pharyngeal skeleton in yunnanozoans. Science,377(6602)

排版: 雨筠 /   稽核:小風

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