伊丽莎白·特纳（图片来源：劳伦森大学）

 

在我们的印象中，5亿多年前的寒武纪生命大爆发如同动物摇篮——在很短的时间内，动物化石记录从无到有，并且迅速出现了众多动物类群。尽管最近数十年的化石证据发现，动物起源的时间早于寒武纪，但目前最早动物的化石记录始终没有早于6.6亿年前。

就在今天，一项发表于《自然》杂志的研究，有可能将这一时间大幅提前——一位加拿大地质学家提出，她找到了8.9亿年前的海绵化石。但论文一经发布，争议也接踵而至……

 

撰文 | 吴非

 

上世纪90年代的一天，正在加拿大女王大学读博的伊丽莎白·特纳（Elizabeth Turner）来到了加拿大西北地区的马更些山脉。她所在的地点是加拿大最为人烟罕至的地区之一，而她进入这片区域的过程更是费尽周折——由于周围根本没有公路，她只能乘坐直升飞机抵达附近，然后徒手向陡峭的山峰攀爬。

 

上世纪90年代，特纳找到化石的地区（图片来源：特纳/劳伦森大学）

 

这位地质专业的博士生来到这里的原因在于，这里保存着大量叠层石。叠层石是蓝细菌生命活动的产物：它们产生的黏性物质如同胶水，将海洋中的碎屑颗粒粘合起来，形成层状的化石记录——叠层石。目前地球上最古老生命的确凿证据，就来自澳大利亚的35亿年前的叠层石。而特纳脚下的这片地区在近10亿年前被广阔的海洋覆盖，经过之后的抬升作用，绵延的山脉携带着包括叠层石在内的海底地质记录浮出水面，呈现在世人眼前。

 

在考察现场，受观测工具的限制，特纳能确定的信息很有限。因此，她只能尽可能多地选取代表性的样本，将它们送到实验室的显微镜下进一步研究。这时特纳自己也没有想到的是，在20多年后，她可能从叠层石这种古老的生命形态里，找到了全世界最古老的动物。

 

 

20多年的等待

 

从野外回到女王大学地质科学系的实验室里之后，特纳仔细分析了这些古老的岩石样本。一系列定年方法已经确定，这些样本来自大约8.9亿年前的新元古代（寒武纪之前的地质年代，10亿~5.4亿年前）。这时，地球的面貌与今天的相距甚远——地球的大气层里几乎没有氧气，生命形态仍然停留在原始的微生物阶段。

 

但当特纳在显微镜下观察这些来自原始阶段的岩石薄片时，却看见了令她感到震惊的图像。在深色的叠层石中，出现了大量彼此交错的白色树枝状纹路——天文爱好者可能会联想到宇宙纤维网络，吃货可能会想起和牛的雪花纹路，而对特纳来说，这些不到毫米尺度的结构令她头疼却又兴奋。

 

特纳在显微镜下看见的树枝状结构（图片来源：特纳）

 

此后，特纳又陆续在一些其他薄片里看到了这样的结构。对于博士阶段的特纳，要解释这些奇怪的结构实在是有些困难。当她将这些图像发给其他研究者时，也没有人能确定它们是如何形成的，又是否与生命存在特定的关联。于是，特纳将这些化石和心中的疑问一同暂时收藏了起来，等待让谜底揭晓的线索出现。

 

最终，来自现代海绵的高清显微镜图像给了特纳启发。作为地球上结构最简单的多细胞动物，海绵没有肌肉、没有神经系统，为了生存，它们演化出了很多令人诧异的生理特征——例如，一种由蛋白质组成的柔软骨骼。

 

海绵的细胞会分泌一种特殊的蛋白质——海绵硬蛋白（spongin）。这类蛋白质能帮助海绵拥有纤维状的柔软骨架，正是这些骨架赋予海绵躯体柔韧性。当这些硬蛋白出现在显微镜下时，特纳注意到，它们与8.9亿年前化石中的树枝状结构非常相似。随着最近几年，一些更为年轻的化石中同样出现了高度相似的结构，并且被解释为海绵的硬蛋白遗迹，特纳开始相信，她在上世纪找到了那些化石，就是海绵的硬蛋白。

 

现代海绵硬蛋白组成的纤维（图片来源：特纳）

 

伴随着更细致的观察、建模以及分析，特纳在一篇刚刚发表于《自然》杂志的论文中呈现了来自8.9亿年前的生命故事。值得一提的是，与当今绝大多数依靠团队合作完成的论文不同的是，这篇最新的论文只有特纳一位作者。

 

在特纳的故事中，在曾经的海绵在浅海中度过一生、倒向海床，被泥沙埋藏之后，一些关键的转变出现了。当海绵的躯体早已消失，它们的硬蛋白在埋藏过程中逐渐被钙质矿物（例如方解石）替代，最终呈现出中空的管状结构——而这也正是特纳在化石里看到的形态。

 

 

大幅提前

 

如果特纳的推论最终得到证实，人类对于动物起源的认知将被彻底改写。

 

关于动物的起源，我们最熟悉的莫过于寒武纪生命大爆发。来自全球各地的化石忠实地记录下了这段时间海洋里的巨变。从5.41亿年前开始，海洋中的动物似乎从无到有，突然大量涌现。在短短的2000万年内，主要的动物类群纷纷出现。因为这些化石记录，在很长一段时间内，寒武纪都被视作动物的起点。

 

不过最近半个世纪，不断涌现的化石证据表明，动物爆发的时间可能需要有所提前。在早于寒武纪的埃迪卡拉纪（约6.35亿~5.42亿年前），多个生物群中都出现了动物的身影。这些广泛分布在全球的化石记录说明，动物的爆发时间比之前认为的更早。可以说，这些生物群的出现为我们追溯复杂动物的起源提供了全新的窗口。

 

目前，最古老动物的确凿证据来自5.71亿年前的软躯体动物化石，这是一种形似巨大树叶的原始动物。不过，在直接的动物化石之外，一些间接证据将动物的诞生推向更早的年代。2018年，一项发表于《自然·生态学与演化》的研究就在来自阿曼、西伯利亚和印度的岩石中，找到了一种名为26-甲基豆甾烷的类固醇化合物。它的特别之处在于，在自然界中，已知只有海绵才能合成这种化合物。因此，这些可以追溯到6.6亿~6.35亿年前的生物标记物可能表明，早在那时就已经有动物在海底生活。

 

相比之下，特纳在最新研究中提出的动物诞生时间，远远早于目前的任何直接或间接化石证据。

 

论文中的化石可能代表了与今天的树角海绵相似的远古海绵（图片来源：wikipedia）

 

 

巨大争议

 

如果特纳的结论最终得到证实，古生物学家们将面临另一个更加严峻的难题：这些最早的动物，是如何在氧气含量极低的地球中生存下来的，它们又是如何在随后度过被冰雪覆盖的雪球地球的？

 

当我们回顾地球的演化历史，会发现地球的绝大多数阶段都是不适合动物生存的。其中一个关键因素是，大气层中丰富的氧气，是直到“近期”才形成的。从最早的光合作用细菌出现开始，地球的氧化过程经历了数个阶段，但直到8亿年前，氧气才开始在大气层中积累。在此之前，地球大气中几乎没有氧气，海洋也处于严重缺氧的环境中——按理说，动物无法在这样的条件下生存。

 

对于这一点，一些能在缺氧条件下生存的现代海绵或许可以说明，8.9亿年前的环境可能是某些海绵能够忍受的。但即便如此，这些早期动物在随后还要面临另一项挑战。大约7亿年前，地球遭遇了地球生命史上最严峻的气候危机。这一次不是变暖，而是覆盖全球的雪球地球。在近1亿年的时间内，整个地球可能被上千米厚的冰层覆盖，在这样的情况下，海水中的动物又是如何克服如此极端的生存条件的？

 

对于古生物学家而言，这一系列问题值得他们去进一步思索——当然，这一切的前提是，特纳的结论是正确的。特纳找到的化石，真的是史前动物的杰作吗？至少目前看来，这项研究一经发布，就引起了很大的争议，并且这样的争议或许会长期延续下去。

 

目前争议的焦点在于，这些形态化石究竟代表了什么？是海绵，还是其他更简单的生命？或者说，这一定是生物缔造的结构吗？

 

尽管在这项研究中，特纳声称当时的微生物均无法产生类似的复杂形态，但在不少古生物学家看来，这项发现远远不足以与“动物”画上等号，因为一些其他形态的生物（微生物）也能产生这样的树枝状结构。甚至有人认为，即使不需要生物作用，矿物自身也能长出类似的形态。

 

显然，无论目前的观点如何，众多研究者都认为，形态学证据本身还太过单薄。遗憾的是，由于保存条件不利，这些样本里没能保留生物标记物的证据。或许，在下一个8.9亿年前或者更早的动物化石证据出现之前，关于特纳以及这些“最早动物”的争论仍将延续下去……

 

原始论文：

Possible poriferan body fossils in early Neoproterozoic microbial reefs

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03773-z