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南京古生物所等发现全球最古老的原始动物化石

南京古生物所等发现全球最古老的原始动物化石

  310,《美国科学院院报》(PNAS)以长文的形式在线发表了中国科学院南京地质古生物研究所研究员、“9幸运2873”项目首席科学家朱茂炎课题组的最新研究进展:在我国贵州瓮安生物群中发现了一枚6亿年前的原始海绵动物化石——“贵州始杯海绵”Eocyathispongia qiania)。这一化石十分微小,体积只有2-3 mm3,但保存了精美的细胞结构和完好的水沟系统,是迄今为止全球发现的最古老的可靠海绵化石的记录。该发现不仅将海绵动物在地球上出现的实证记录从寒武纪向前推进了6千万年,还意味着复杂的多细胞动物起源的时间可能远远早于古生物学家的传统推测。美国《科学》(Science)杂志对该进展进行了报道。 

  瓮安生物群产自贵州瓮福磷矿采区埃迪卡拉纪陡山沱组上部,主要由立体保存的多细胞藻类、大型带刺疑源类和后生动物胚胎等多种化石组成。其中的动物胚胎化石作为迄今最古老的后生动物化石记录,为研究动物在寒武纪大爆发之前的起源和早期演化历程提供了独一无二的实证材料,受到全球科学界的极大关注。但遗憾的是,瓮安生物群中发现大量动物胚胎化石的同时却缺乏可信动物成体化石,故一些西方学者对这些胚胎的动物属性提出了质疑,他们认为这些处于细胞分裂阶段、分裂形态和大小类似动物胚胎的球状化石也有可能是硫细菌、原生生物或者团藻类绿藻。最近南京古生物所研究员袁训来课题组发现,瓮安生物群中一类球形化石有营养细胞和生殖细胞的分化,并且缺乏明显的细胞壁。这些证据彻底否定了它们是硫细菌、原生生物或团藻的可能,认为这些胚胎状化石确凿幸运28无疑是多细胞真核生物,有可能是某种基干类群动物,或者是某种多细胞藻。但是这一研究没有解决瓮安生物群中到底是否存在动物化石这一受普遍关注的核心问题。 

  那么瓮安生物群中究竟有没有动物呢?朱茂炎带领的国际科研团队通过采用新的技术手段进行了大量的化石标本调查,在这一科学难题的研究中取得了新进展,在瓮安生物群中发现了一枚保存完好的“贵州始杯海绵”。“贵州始杯海绵”是保存细胞结构的三维动物成体化石,不是胚胎期化石,动物的细胞组织结构清晰易辨,终于使得瓮安生物群中是否有真正的动物化石这一疑问有了一个肯定的答案。 

  “贵州始杯海绵”化石是以磷酸盐化的形式呈三维立体的状态保存在白云质磷块岩中。论文第一作者殷宗军等通过使用化学溶蚀法将白云质围岩剥离后得到了完整的化石标本,然后借助大型科学装置同步辐射光源,使用目前最先进的三维无损成像方法——相位衬度显微断层成像技术,重建了该化石标本的三维结构。结果显示化石整体外观呈缠绕的管状,由三个独立的腔室共用一个实体基座组成,每一个腔室都有一个向上的开口。配合扫描电镜观察,发现标本保存了精美的细胞结构。同步辐射技术和扫描电镜观察均表明生物体已经发生了明显的细胞分化,而且标本表面的扁平细胞和现代海绵表面的扁平细胞无论是细胞形态还是细胞之间的联接方式都十分一致。化石表面不同区域覆盖的细胞具有不同的形态和定向,细胞之间发育了数量众多的小孔,这些小孔直通有开口的腔室,在腔室内壁上还发现了类似现代海绵的领细胞结构。这些小孔和腔室一起形成了简单的水沟系统,为生物体提供了与外界进行物质交换的通道。以上这些生物幸运28学特征表明它是一种与现代海绵动物非常相似的原始动物,固着在浅水区的海底通过简单的水沟系统进行滤食生活。 

  海绵动物是整个动物界中最原始的类群,它们没有真正的组织和器官,而只有细胞分化,因此在化石中识别海绵动物最理想的情况则是找到保存了细胞结构和完整水沟系统的标本。“贵州始杯海绵”的发现恰恰满足了这一要求,精美保存的细胞和完整的水沟系统使得该标本成为目前为止最古老的海绵化石,其发现将海绵动物的化石记录向寒武纪之前推进了6千万年。结合现有的动物谱系树和分子演化生物学(分子钟)的推断,该发现预示着一些与这类海绵动物有共同祖先,但形体更复杂的真后生动物在瓮安生物群中也应该出现,而所有动物的共同祖先则远早于6亿年前。这一理论上的推测为在更古老的地层中发现动物始祖化石提供了依据。 

  该项研究由科技部重大基础研究计划(“973”项目2013CB835000)、中科院重点部署项目(KZZD-EW-02-2)、国家自然科学基金委员会(41302003)和现代古生物学和地层学国家重点实验室联合资助。 

  论文链接  

  《科学》杂志报道链接  

 

贵州始杯海绵模式标本

 

贵州始杯海绵。a-e,h,扫描电镜照片,f-g,同步辐射数字切面,f切面在标本中的位置见图二e中的标记

 

贵州始杯海绵的同步辐射三位无损重建。a-e,不同角度的视图;a1-c1分别是a-c的数字切面

 

  现代海绵动物的解剖学结构特征。A,具有简单的单沟系水沟系统的海绵解剖示意图,箭头指示水流方向。B,海绵形态学和解剖学特征