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清江化石库工作现场。 |
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林乔利虫。 |
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清江生物群模拟图。 |
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清江生物群发现的新物种。 |
历经12个春秋，我国科学家在古生物学研究领域取得一项重大突破——发现“寒武纪化石宝库”。
前不久，西北大学早期生命与环境创新研究团队张兴亮、傅东静等人，在《科学》杂志首次公布他们的研究成果：在中国湖北宜昌长阳地区发现了距今5.18亿年的寒武纪特异埋藏软躯体化石库——清江生物群。
“清江生物群是令人震惊的科学发现！”国际著名古生物学家Allison C·Daley在《科学》杂志同期刊发的题为“寒武纪化石宝藏”的评论中指出：“其化石丰富度、多样性和保真度世界一流，科学价值巨大。后续研究将有望填补我们对于寒武纪大爆发的认知空白并解决动物门类起源演化方面一系列科学问题。”
寒武纪生命大爆发之谜至今没有破解
在不到地球历史1%的时间诞生了绝大多数动物门类，曾令达尔文感到困惑
大约5.42亿年前到5.3亿年前这段时间，被科学界认为是寒武纪的开始时间。在这1000多万年时间内，寒武纪地层突然出现了门类众多的无脊椎动物化石；而在早期更为古老的地层中，长期以来却一直没有找到明显的祖先化石。这一现象被称作寒武纪生命大爆发，简称寒武纪大爆发。
寒武纪大爆发被称为自然科学研究领域的一大“悬案”，在不到地球历史1%的时间诞生了绝大多数动物门类，曾令达尔文感到困惑。
“要破解寒武纪大爆发的奥秘，除了科学猜想，更需要发现恰当的科学观察窗口——化石库，以找到可靠的化石实证。”张兴亮教授介绍说，1909年以来相继发现的加拿大布尔吉斯生物群、中国云南澄江生物群，就是科学家梦寐以求的珍贵化石库。
布尔吉斯页岩型化石库最早在1909年发现于加拿大落基山脉寒武纪中期的布尔吉斯页岩中，并因此得名。这一化石库长期在古生物学和进化生物学研究中独领风骚。相较于常见的类似保存着脊椎动物骨骼的硬体化石库，布尔吉斯页岩型化石库不仅可以保存动物骨骼以外的组织、器官等软体形态，更可以保存诸如水母、海葵等软躯体生物。这为探寻寒武纪大爆发的演化模式和强度以及构建动物生命树的基本结构，提供了绝佳的化石记录。
自布尔吉斯页岩型化石库发现100多年来，此类化石库在全球各地已发现50余个。但按照化石保存质量的优劣及化石物种多样性等标准来看，仅有加拿大布尔吉斯页岩生物群和1984年发现的澄江生物群，成为“理想的顶级研究目的地”。
其中，澄江生物群发现35年来，已在数十万件化石标本中发现了超过280个物种，相关研究成果28次登上《自然》《科学》和《美国科学院院报》等三大科学期刊，成为我国唯一化石地世界自然遗产。
尽管如此，寒武纪大爆发仍存在很大的认知空白，动物门类起源演化方面还有许多未解之谜。于是，找到下一个“理想的顶级研究目的地”，就成为国际古生物学界的一大梦想。
敲出了半只林乔利虫
一个巨大的寒武纪化石宝藏逐渐显露真容
宜昌市长阳县地处鄂西南山区，位于长江和清江中下游，寒武纪地质层分布广泛。
2007年暑假，湖北的天气异常炎热。张兴亮带领傅东静、刘伟、代韬等研究生到长阳地区进行考察。
“当时的目标层位是石牌生物群，它比澄江生物群的出现时间稍晚，年龄更轻。”傅东静回忆说，“大家像往常一样，取出地质锤叮叮哐哐地敲。很快，张兴亮老师就找到了拇指长的半只虫化石——林乔利虫。”
林乔利虫是布尔吉斯页岩化石库很有代表性的一种“虾”状节肢动物。紧接着，踏勘队还在这个位置找到了纳罗虫。而在1984年侯先光教授发现澄江生物群的时候，第一个发现的化石正是纳罗虫。
随后的12年里，西北大学早期生命与环境创新研究团队长期坚持野外发掘和室内研究，一个巨大的寒武纪化石宝库逐渐显露真容。
“有人说我们运气好，但实际上，在发现这只林乔利虫之前的十几年间，张兴亮老师寻找这种化石群已经走遍了全世界。幸运总是降临在有心的人身上，不是吗？”傅东静说。
研究团队将这一化石宝藏命名为清江生物群，一个原因看是因为化石埋藏地是在清江与丹江河的交汇处。更重要的一个原因，是研究团队希望清江与澄江生物群日后能够成为享誉世界的“中国两江生物群”。
研究的结果越来越令人兴奋
初步研究发现109个属，53%为此前从未有过记录的全新属种
即便是找到了林乔利虫和纳罗虫，在华南、华北还是有很多有潜力的化石产地需要去研究。“最开始我们还是全年巡回踏勘的，每年大约去清江两三次，都是等老乡告诉我们水位下去、河床露出来的时候，我们就赶紧去，下雪也不例外。直到2014年才逐步确认了这个化石库的巨大潜力，研究重心彻底转移过来。” 傅东静说。
不亚于海底捞针，张兴亮、傅东静和团队里一届又一届的硕士、博士，在5亿年前的“大海”里找出了两万多只“虫子”。“工人用撬杠撬出1立方米大小的石头，我们就用地质锤顺着页岩的层面劈，一边劈一边看，找到虫子就整理、编号、打包，背出山、带回实验室。然后把每一块清理、讨论、鉴定、分类、记录。”傅东静说，“每一块化石都有一个故事，每一个关于它们的故事我们都烂熟于心。”
每发现一种寒武纪生物化石，研究者就需要大量查阅资料。研究的结果越来越令人兴奋，已研究的4351件化石标本中，已初步研究发现109个属，其中53%为此前从未有过记录的全新属种！
生物统计学“稀疏度曲线”分析显示，清江生物群的物种多样性，将有望超过包含布尔吉斯页岩和澄江在内的全球已知所有寒武纪软躯体化石库。
据介绍，如今地球上的动物界共有38个门，在寒武纪生命大爆发时期的化石中，已发现20个现生的动物门类和6个已灭绝的动物门类，但目前仍有18个现生动物门类尚未在寒武纪找到化石代表。在过去的35年间，古生物学家曾在澄江生物群的研究中找到了许多动物门类的最早化石记录。
在位于长阳丹江河附近的团队工作室墙上，挂着科研团队用显微镜放大后的照片，那是科学家心中5.18亿年前的海洋世界。这些古生物有的像水母、海虾、蠕虫，有的像西瓜、花朵……有的甚至连触角和腹部的纹理都清晰可见，栩栩如生。
张兴亮兴奋地说：“目前后生动物属中，85%不具有矿化骨骼，且绝大多数为水母、海葵等没有骨骼的动物。能发掘出如此多形态完整的软躯体化石，实属罕见。”
他解释说，这些化石的“超高保真”，是由于清江生物群化石主要以原生碳质薄膜形式保存，未经明显的成岩作用和风化作用改造。
目前只是掀开了冰山一角
5.18亿年前的更多未知奥秘等待科学家去探索
清江生物群距离澄江生物群1050公里。张兴亮告诉我们：“生物地层学研究显示，清江生物群和澄江生物群是同时代、位于不同古地理位置的生物群。二者都距今约5.18亿年，处在寒武纪生命大爆发时期动物门类爆发式出现的极盛时期。两者的科学研究价值具有很强的互补性。”
张兴亮认为，与澄江生物群相比，清江生物群生活于远离海岸的较深水环境，代表了不同生态环境下的全新生物群落，这一点从其超过半数以上的新属种可以证实。因此，清江生物群后续的大规模发掘，将为发现和探索新的躯体构型和新的动物门类提供第一手材料，将进一步提高我们对寒武纪大爆发的科学认识。
此前，以中科院院士舒德干领军的西北大学地质学系早期生命与环境创新研究团队，在达尔文提出的地球生命呈“树形演化”猜想基础上，通过数十年的研究与实证，勾勒出了寒武纪生命大爆发时基础动物、原口动物、后口动物三大枝系演化“大树”的基本轮廓，进而在全球首次构建了完整的早期动物谱系树框架图。
“通过我们已开展的研究发现，清江生物群中双胚层辐射对称的动物占主导，刺胞动物身体构型分异度高，蜕皮动物类群中极其罕见的动吻动物繁盛。此外，我们还发现了许多形态奇异的崭新物种。随着研究的展开，清江生物群将为‘早期动物谱系树’到底在哪里分叉、在哪里开枝散叶，找到更多生物进化的直接证据。”傅东静说。
清江生物群化石能以原生碳质薄膜形式保存，也是开展埋藏学和地球化学研究，进而开展深入古环境研究的理想素材。
据介绍，动物的系统发育、营养动力以及关键进化特征的出现等问题研究，依赖于发现更多的软体结构和更优质的形态保存，如内脏、鳃条、脊索、神经组织、心血管系统等等。然而，这些都属于埋藏上高度不稳定的组织器官。到底是怎样特殊的埋藏机制，才使得布尔吉斯页岩型化石库能够保存软体结构？这也是清江生物群今后研究需要解决的问题。
张兴亮团队认为，目前全球两个保真度最高的布尔吉斯页岩型化石库——布尔吉斯页岩生物群和澄江生物群，在埋藏之后分别经历了高温变质、风化作用等严重的地质改造，其样本已无法用于深入开展埋藏学研究。而在清江生物群发现的软躯体化石，奇迹般地以原生碳质薄膜形式保存了原始的有机质。
“毫无疑问，这里将为开展埋藏学和地球化学研究，进而开展深入的古环境研究提供理想素材。困扰学术界多年的动物软体结构特殊埋藏机制问题，或将在清江生物群得到破解。”张兴亮说。
“清江生物群研究工作才刚刚开始，我们只是掀开了冰山神秘的一角，初步报道描述了该生物群的化石组合面貌。古生物分类学和谱系分析将解决动物门类起源与演化问题。沉积学、埋藏学、地球化学的研究将解决化石为什么保存这么好、环境条件如何等问题。后续可能还需要几十年，甚至几代人的研究。”张兴亮说。