螺旋網(wǎng)格海綿生態(tài)復原圖。楊定華/繪

在漫長(cháng)的演化進(jìn)程中，海綿動(dòng)物幸運地躲過(guò)了地球上5次物種大滅絕而存活至今。研究推測，海綿動(dòng)物起源于約7億年前，但距今約5.4億年的寒武紀之前的海綿化石極為稀少，因此具有爭議。

海綿動(dòng)物為什么會(huì )“消失”了約1.6億年？中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)南京古生物所）研究員袁訓來(lái)領(lǐng)導的一支早期生命研究國際合作團隊，在湖北宜昌距今約5.5億年前的石板灘生物群中，發(fā)現了一種埃迪卡拉紀晚期的冠群海綿動(dòng)物，填補了海綿動(dòng)物早期演化的重要環(huán)節。該成果6月5日在線(xiàn)發(fā)表于《自然》。

化石缺失約1.6億年

“海綿動(dòng)物通常被認為是最基礎和最原始的后生動(dòng)物，對地球早期海綿化石的尋找和研究，能為我們探索動(dòng)物起源和早期演化模式提供關(guān)鍵證據。”論文通訊作者、南京古生物所副研究員萬(wàn)斌告訴《中國科學(xué)報》。

已有研究表明，海綿起源時(shí)間應該在距今約7億年。然而，現實(shí)研究發(fā)現，海綿化石記錄在寒武紀才大量出現，存在長(cháng)達約1.6億年的空缺期，這一段撲朔迷離的歷史被稱(chēng)為海綿早期演化研究中“消失的歲月”。

為什么前寒武紀海綿化石記錄缺失呢？

萬(wàn)斌結合過(guò)往研究解釋說(shuō)，第一，由于大多數現生海綿具有硅質(zhì)或鈣質(zhì)骨針，因此研究者假設海綿的共同祖先具有礦化骨針，而寒武紀之前距今約6.35億年至5.39億年的埃迪卡拉紀海綿化石的缺失，可能是由于當時(shí)的環(huán)境不利于骨針保存；第二，海綿動(dòng)物的共同祖先不具有礦化骨針，在分化出主要類(lèi)群后，各類(lèi)群才獨立演化出礦化骨針，因此前寒武紀的早期海綿動(dòng)物沒(méi)有骨針，保存潛力相對較小，難以從化石記錄中識別出來(lái)。

早期海綿沒(méi)有“骨針”

近年來(lái)，袁訓來(lái)團隊在石板灘生物群進(jìn)行了大規模化石發(fā)掘，并在5年前發(fā)現了一類(lèi)大型海綿動(dòng)物化石。由于該化石表面具有多次分級的網(wǎng)格結構，標本下部的網(wǎng)格以螺旋排列的方式連接到底部的盤(pán)狀固著(zhù)結構，直立底棲在沉積物表面，因此被命名為“螺旋網(wǎng)格海綿（Helicolocellus）”。　

萬(wàn)斌介紹，新發(fā)現的螺旋網(wǎng)格海綿表面由規則的方格組成，這些方格可以被細分為4個(gè)形態(tài)相同的次級方格，次級方格又可以進(jìn)一步細分。螺旋網(wǎng)格海綿的這種特殊方格結構與古生代六放海綿動(dòng)物的形態(tài)特征類(lèi)似。而它們的不同之處在于，螺旋網(wǎng)格海綿的網(wǎng)格由有機質(zhì)組成，而古生代海綿化石的網(wǎng)格則由礦化骨針組成。

袁訓來(lái)團隊聯(lián)合英國劍橋大學(xué)和美國弗吉尼亞理工大學(xué)研究人員組成的國際合作團隊認為，螺旋網(wǎng)格海綿化石可能代表了一種不具有礦化骨針的早期海綿動(dòng)物。

為了論證這一解釋?zhuān)芯繄F隊構建了一個(gè)包含各種現生動(dòng)物和古生代化石動(dòng)物的形態(tài)數據矩陣，并進(jìn)行了嚴格的系統發(fā)育分析。研究結果顯示，螺旋網(wǎng)格海綿化石屬于冠群海綿，并且與六放海綿親緣關(guān)系接近。

“螺旋網(wǎng)格海綿化石的發(fā)現表明，前寒武紀確實(shí)存在非生物礦化的海綿動(dòng)物。”萬(wàn)斌說(shuō)，“該化石的發(fā)現也提示我們不能完全以現生海綿作為藍本尋找前寒武紀海綿化石，因為早期海綿可能沒(méi)有生物礦化骨針，并且可能不具備現生海綿的所有特征。”

這項研究還推測，在六放海綿早期演化歷程中，可能存在一個(gè)以有機物構建網(wǎng)狀骨架的階段，直到進(jìn)入寒武紀，它們才獲得生物礦化能力，把礦物添加到已有的有機質(zhì)骨架上，形成由復合的礦化骨針組成的骨架。

爭議推動(dòng)學(xué)科發(fā)展

“你永遠都不知道，下一榔頭會(huì )敲出什么樣的新奇化石！”這是袁訓來(lái)經(jīng)常掛在嘴邊的一句話(huà)。化石是地球生命演化的實(shí)證，關(guān)鍵演化階段的化石更是不可多得。這些化石需要古生物學(xué)家一榔頭一榔頭從石頭里面敲出來(lái)。

袁訓來(lái)團隊對石板灘生物群進(jìn)行了長(cháng)期的艱苦發(fā)掘，并發(fā)現薄層灰巖中不僅保存有豐富多樣的埃迪卡拉型化石，還保存了大量的動(dòng)物遺跡化石和其他動(dòng)物的實(shí)體化石。

2018年，《科學(xué)進(jìn)展》報道了團隊發(fā)現的最早動(dòng)物足跡化石；2019年，《自然》報道了團隊發(fā)現的最早具有運動(dòng)能力的兩側對稱(chēng)動(dòng)物——夷陵蟲(chóng)。螺旋網(wǎng)格海綿化石的發(fā)現是團隊的又一重要成果。

“這篇論文2023年7月投稿，經(jīng)歷了5位審稿人長(cháng)達4輪的審稿后才得以發(fā)表。”萬(wàn)斌告訴《中國科學(xué)報》，“我們的發(fā)現是對海綿動(dòng)物早期演化傳統理論的一種挑戰。這個(gè)過(guò)程很艱難，但結果還是比較理想的。我們通過(guò)精美的化石標本和嚴謹的論證，最終說(shuō)服了審稿人。”

前寒武紀—寒武紀界線(xiàn)前后的生物群落面貌曾被學(xué)術(shù)界認為存在巨大差別。

這是因為埃迪卡拉紀是形態(tài)奇異且親緣關(guān)系未知的埃迪卡拉生物群主宰的時(shí)代。而到了寒武紀，各個(gè)現生動(dòng)物門(mén)類(lèi)接踵而出，人們熟悉的現代海洋生態(tài)系統得以建立。

螺旋網(wǎng)格海綿的發(fā)現連接了埃迪卡拉生物群和寒武紀生物群，也表明埃迪卡拉生物群的某些類(lèi)型也許和現生動(dòng)物之間有某種直接的演化關(guān)系。

這項研究發(fā)現了比寒武紀還要早1000萬(wàn)年的海洋中，生活著(zhù)沒(méi)有礦化骨針的海綿。這意味著(zhù)，沒(méi)有礦化骨針的海綿在寒武紀之前就已經(jīng)發(fā)生了一定規模的輻射，即一個(gè)物種獲得了某種關(guān)鍵特征，從而導致大量新生特征和物種的涌現。

那么，其他類(lèi)型的動(dòng)物是否在寒武紀之前也發(fā)生了輻射？是什么原因使得海綿動(dòng)物產(chǎn)生了礦化骨針？“我們這項研究也許會(huì )引發(fā)新?tīng)幾h，這些爭議問(wèn)題的解決有望推動(dòng)學(xué)科進(jìn)一步發(fā)展。”萬(wàn)斌說(shuō)。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07520-y

《中國科學(xué)報》 (2024-06-06 第1版 要聞)