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寒武纪生物大爆炸

地球诞生在46亿年前,至5.43亿年前进入了地质历史上被称为“寒武纪”的时期。寒武纪从5.43亿年前开始,至4.90亿年前结束,历时0.53亿年。从地球诞生至寒武纪,地球历经了40.57亿年的漫长时期,这一时期简称为前寒武纪。前寒武纪虽然时间很长,但在前寒武系中所发现的生物化石很少,而且偶有发现也是比较低等的生物。可是,到了寒武纪很多高等生物突然像“井喷”一样,在地层中冒了出来。这些生物是如何进化来的?它们的祖先在哪里?这个“喷”出来的“生命世界”,怎么会与进化论的真理完全背道而驰?真有无本之木、无源之水吗?这就是令科学家们困惑不解的谜团之一——寒武纪生物大爆炸。

生物大爆炸示意图

轰动全世界的寒武纪生物大爆炸,最典型地点在哪里?它就在我国云南省澄江县帽天山,我国科学家称之为澄江动物群。

7.1.1 澄江动物群

澄江动物群是我国科学家于1984年在我国云南澄江尺明东部的帽天山中发现的。其地层时代为下寒武统(即寒武纪早期)筇竹寺组玉案山段,距今约5.3亿年。澄江动物化石群持续的时间可能长达300万~100万年。

澄江动物群的化石,其保存的完美度好得令人难以置信。如蠕形动物帽天山虫,犹如活的一般,穴居在海底的软泥滑仔里,它的如蚯蚓一样的体环非常清晰,就连消化道也依稀可见。全部为软组织的蠕虫,成为化石以后,还像当初活的一般,真难以想象;好运华夏鳗,不但骨骼保存完整,其软体部分也保存得非常好,它好像正在水底游动;还有犹如现在还活着似的西大动物、抚仙湖虫和尖峰虫等。其他化石也和它们一样,虽已成化石,但如刻、如雕、如画,栩栩如生,如云南虫、微网虫、那罗虫、瓦普塔虾、高足杯虫、始虫、古莱得利基虫等。这些保存状况无与伦比的澄江动物群化石发表后,全球为之惊叹。最令人惊异和兴奋的是这里竟然还发现了鱼化石:昆明鱼。这是迄今为止全球发现的最古老的鱼,被国外媒体称为天下第一鱼--中国鱼。此外,还发现了海口鱼。真正的鱼类,以前只在泥盆纪(距今4.10亿~3.54亿年)才有所发现,昆明鱼和海口鱼出现的时间是5.3亿年前。所以,这两类鱼化石的发现,把鱼类出现的时间,提前了1.2亿年。因此,澄江动物群的发现,改写了地球动物进化的历史,对生命发展史的研究作出了划时代的贡献。《纽约时报》认为这是20世纪最惊人的发现;美国《科学新闻》欣喜异常地说,它使陷于绝望的探索生命起源的科学家们欢欣鼓舞。澄江动物群的产地帽天山,于1992年被联合国教科文组织列为“全球地质遗迹东亚优先甲等第四号”。从此,帽天山就成为研究生命起源科学家们的“麦加”。

澄江动物群的地层位置(据侯先光等,1999)

澄江动物群:蠕形动物帽天山虫化石(据陈均远等,1996)

澄江动物群含有众多门类的化石,总共160多属,190余种。澄江动物群化石,种类众多,保存完好,前所未见,闻所未闻,奇特至极,犹如天外来客,令人惊叹、振奋而又迷惑:它们是从哪里来的陵让告?

澄江动物群:头索动物华夏鳗化石

澄江动物群:半索动物云南虫化石

澄江动物群:奇特皮鱼型动物西大动物化石

澄江动物群:叶足动物微网虫

微网虫复原图

澄江动物群(约5亿年前)复原图

澄江动物群:节肢动物那罗虫化石

澄江动物群:节肢动物周小姐虫(右上)与那罗虫(左下)复原图

澄江动物群:节肢动物抚仙湖虫化石

澄江动物群:节肢动物抚仙湖虫复原图

澄江动物群:腔肠动物高足杯虫化石

澄江动物群:节肢动物始虫化石

澄江动物群:浮游双瓣壳节肢动物瓦普塔虾化石

澄江动物群:节肢动物尖峰虫化石

澄江动物群:底栖生物腔肠动物先光海葵(下中偏右)、高足杯虫(右和右下)和带虫(左下)复原图

澄江动物群:节肢动物始虫

澄江动物群:浮游双瓣壳节肢动物等刺虫(左上)、瓦普塔虾(右)、古虫(中下)复原图

澄江动物群:节肢动物古莱得利基虫(一种三叶虫)化石

三叶虫复原图

灰姑娘虫化石

澄江动物群:节肢动物灰姑娘虫(上)、谜虫(下)复原图

奇虾化石

澄江动物群:与节肢动物具有同源演化关系的奇虾动物奇虾复原图

昆明鱼化石

海口鱼化石

(舒德干供稿)

7.1.2 寒武纪生物大爆炸的历史回顾与科学思考

澄江动物群给我们演示了如梦如幻大爆炸的一幕,但惊喜之后百问丛生。为什么如此众多门类、包含有节肢动物、脊索动物和脊椎动物等高级生物会在此刻突然涌现?为什么在前寒武纪漫长的40.7亿年中,我们却很少发现类似的化石?澄江动物群祖先们走过的历史“足迹”留在了何方?大爆炸的生物真的是从天外突至?难道真有无本之木、无源之水?难道生命的演化能够停驻40多亿年?又是什么因素引发了大爆炸?我们应如何科学地解译寒武纪生物大爆炸给出的信息?大爆炸意味着什么?这些问题有待我们一一破解。

7.1.2.1 历史回顾

(1)布尔吉斯动物群。无独有偶,1909年,美国科学家在加拿大落基山的中寒武纪地层里发现了布尔吉斯动物群。当时的布尔吉斯动物群也轰动了全世界,因为它和澄江动物群一样,几乎含有所有的现生动物的各个门类,同时还包含了许多已灭绝的门类和难以归属的化石。不但种类丰富,数量也多得惊人,仅美国的自然历史博物馆就收藏了65000件布尔吉斯动物群的标本。但是,布尔吉斯动物群距今5.15亿年,时代为中寒武世;而澄江动物群距今5.3亿年,时代为早寒武世。所以,布尔吉斯动物群是澄江动物群的晚辈,其比澄江动物群要晚1500万年。因此,我们可以设想,从地球诞生至澄江动物群出现的,这40.7亿年漫长的岁月中,一定还有另外的“澄江动物群”,只是我们现在还没有在地层的记录中找到它们而已。“寒武纪生物大爆炸”不会是上帝制造的,也不会是突然冒出来的,生命演化的过程也不可能被“冰封”40多亿年。

布尔吉斯动物群复原图

(2)梅树村动物群。澄江动物群之后,有布尔吉斯动物群。在澄江动物群之前,并不是没有发现任何化石,科学家在其之前就找到了梅树村动物群(小壳动物群)、瓮安动物群和埃迪卡拉动物群。小壳动物群是在5.4亿年前早寒武世初期出现的带壳的海生无脊椎动物的总称。它包含有多种门类带壳的海洋无脊椎动物化石,如双壳类、腕足类、腹足类、喙壳类、软舌螺类、单板类、锥石类、节肢动物、海绵、管状动物、球状动物、牙形石等众多门类和一些很难确定其分类位置的动物化石,其化石很小,一般在0.1~5毫米。在我国以长江流域下寒武统底部梅树村阶的动物群最为典型,所以被称之为梅树村动物群。它比澄江动物群早1000万年,约为5.4亿年前。

从现在的发现与研究来看,寒武纪生物大爆炸可以分为3次:第一次大爆炸产生了梅树村动物群,距今5.4亿年,可称为序幕;第二次大爆炸产生了澄江动物群,距今5.3亿年,为顶峰期;第三次大爆炸产生了布尔吉斯动物群,距今5.15亿年,为尾声。

梅树村动物群化石

梅树村动物群在我国的秦岭、华北南部、长江流域、塔里木盆地都有发现,它在全球的分布也很广。因为分布广、数量多且门类少等原因,人们对其重视的程度远不如澄江动物群、布尔吉斯动物群。不过,科学家在前寒武纪(5.43亿年前)的地层中,还发现了另外两个动物群——埃迪卡拉动物群和瓮安动物群。

(3)埃迪卡拉动物群。1947年,科学家在澳大利亚中南部埃迪卡拉地区的前寒武纪末期5.6亿年前的庞德砂岩层中,发现很多特别奇异的化石。有的像花朵,有的像雕刻出来的花纹图章,有的像直立的大片焦叶。它们看起来像植物,其实都是动物,和我们现在所看到的动植物的形态截然不同。有的没有口、没有肠,也没有肛门,如何生存,令人困惑。它们真的和深海黑烟囱的动物一样靠共生的化学自养细菌生存吗?埃迪卡拉动物群含有三个门、19个属、24种低等无脊椎动物。3个门是腔肠动物门、环节动物门和节肢动物门。其中,水母7属9种;水螅3属3种;海鳃目(珊瑚纲)3属3种;钵水母2属2种;多毛类环虫2属5种;节肢动物2属2种。除了澳大利亚以外,埃迪卡拉动物群在北美、英格兰、瑞典、威尔士、新西兰、波罗的海、东欧、西伯利亚和我国华南等地均有分布。其实,早在1908年,科学家就在纳米比亚地区发现了该动物群化石,但是,不知什么原因,没有引起各方人士的重视。在这里特别值得一提的是,2023年我国科学家在贵州省江口前寒武纪末期5.6亿年前的地层里,发现一只非常精美的八臂仙母虫:轮盘形、直径25~31毫米、与1元钱硬币大小相当。

八臂仙母虫化石及其复原图

埃迪卡拉动物群化石

埃迪卡拉动物群化石

埃迪卡拉动物群复原图

(4)瓮安动物群。我国科学家在贵州瓮安前寒武纪末期震旦纪的地层里,发现了距今5.8亿年的动物化石,称之为瓮安动物群。瓮安动物群中发现的动物的卵和动物的多细胞胚胎(如水螅胚胎)化石震惊了全世界。在5.8亿年前的前寒武纪末期的地层里,人们从来没有想象过能找到如此精美的化石,更难以预料它们竟然是卵和胚胎化石。科学家们惊呼:它是一扇探索原始动物起源的闪亮窗口,开启了储存原始生命奥秘的信息库。此外,瓮安动物群还含有管状后生动物、微小两侧对称的后生动物、可疑海绵动物、腕足动物和环节动物、珊瑚幼虫和藻类等。我们特别要着重提出的是,依据对瓮安动物群中动物的卵和动物的多细胞胚胎的研究,其卵裂的方式已经不是最原始、最简单的形式,而是包含有辐射卵裂、旋转卵裂、螺旋式卵裂、双重螺旋卵裂、四重螺旋卵裂;同时含有具极叶形式胚胎和与现生扁虫相似的T字形四细胞胚胎。这些高级形式的卵裂和胚胎,表明瓮安动物群至此已经走过了很长的演化历程,表明除了在寒武纪时出现的高级的节肢动物和脊索动物以外,其他低级无脊椎动物门类的祖先可能已经显现。瓮安生物群比埃迪卡拉动物群早2000多万年。瓮安动物群是迄今为止在地层里所发现的最古老的动物化石,是研究远古生命演化历程最为宝贵的记录。

瓮安动物群

瓮安动物群

瓮安动物群:真体腔两侧对称动物贵州小春虫复原图(约0.2毫米)

瓮安动物群

瓮安动物群和埃迪卡拉动物群的发现,证明了在寒武纪之前除了高级的脊索动物没有以外,其他高级的无脊椎动物如节肢动物等几乎都有。其对破解寒武纪生物大爆炸之谜,提供了科学的证据。

7.1.2.2 科学思考

如前所述,寒武纪生物大爆炸在寒武纪里并不是空前绝后的一次,目前已知它一共有3次。在寒武纪之前,也并不是没有生物存在,所以如果要说生物大爆炸的话,在寒武纪之前已发现有两次,与寒武纪的3次合计共5次。其由老到新的次序为:瓮安动物群(5.8亿年前)、埃迪卡拉动物群(5.6亿年前)、梅树村动物群(5.4亿年前)、澄江动物群(5.3亿年前)、布尔吉斯动物群(5.15亿年前)。它们从前寒武纪末期的震旦纪(埃迪卡拉纪)至寒武纪中期,跨越了时间的长河、大步地发展而来。这个发展史,使科学家们确信生命的演化有其自己的历程,从简单到复杂、从低级到高级、从多样性贫乏到多样性丰富、从智能低到智能高;生命的表现形式也不会总是如今这个样子。它们会从量变到质变、从渐变到突变,或者反转过来从质变转成量变、从突变转成渐变。这个发展史,也证明了“大爆炸”中出现的生物,并不是从天上掉下来的,更不是上帝的手捏出来的,而是其自身历史发展的必然结果。因此,在某种意义上讲,前寒武纪的瓮安动物群和埃迪卡拉动物群已经为其后来的寒武纪生物大爆炸准备好了“导引线”和“炸药”,它使存疑百年的寒武纪生物大爆炸之谜自然消融,使因被大爆炸的“冲击波”冲击,而偏离进化论的学者,又回归到了正确的轨道,也使神创论烟消云散。

所以,科学地讲,寒武纪的生物大爆炸,既不是大爆炸,也不是大爆发,把它称之为像考古一样的大发现,可能更加贴切,更加符合地质记录的实际状况。因为,有的记录我们可能还没有发现,有的记录还可能缺失。而且,这些“昙花一现”式的动物群所记录的时间,一般只有100万~300万年,它们对于46亿年漫长的地质记录来说,只是很短的“一瞬间”。所以,从上面的论述中,人们一定会相信,随着科学的发展、技术的进步、思路的拓新、对生命表现形式认识的变革、工作的深入、时间的前进,人们在寒武纪长达0.53亿年的地层里,在长达40.57亿年的前寒武纪的地层里,一定会发现更多、更丰富的生物群。生命发展的断链,一定会被新发现的环扣连接上。

澄江化石群有什么意义?

1942年，地质学家何春荪到云南澄江帽天山勘探磷矿。他是最早到澄江进行地质研究的人，可惜他不是古生物学家。

1984年，年仅34岁的古生物学家侯先光在帽天山发现了娜罗虫化石——以往只在加拿大伯吉斯山生物群中出现过的古老节肢动物化石。他是最先发现帽天山“天大的秘密”的人。比伯吉斯山生物群早1500万年的澄江生物群，从此在科学界大放异彩。

1985年，张文堂和侯先光发表了关于澄江生物群研究的第一篇论文。此后，侯先光、孙正国又陆续写出一批论文。

1987年，陈均远和侯先光在澄江做了大规模的化石发掘工作，并根据研究成果发表一系列论文，震撼了科学界。茄厅辩著名古生物学家、德国的塞拉赫教授称：“澄江生物群就像是来自天外的信息……”颤缺

1990年以后，以陈均远教授为首的跨国科学研究小组，为破解寒武纪生命大爆炸之谜，多次在帽天山地区进行大规模发掘活动。

1991年，陈均远等古生物学家在著名的《调查与探险》杂志发表论文，并构思了第一幅寒武纪早期的水下生命景观图，引起许多人注意。《纽约时报》根据有关科学家建议，将这一生物群列入“20世纪最令人惊奇的发现之一”。

1991年，以中国科学家为主的国际性合作研究计划开始展开，一些重要成果相继在极具权威性的国际性科学杂志上发表，引起全球新闻媒体的追踪报道。

1992年，著名的《自然》杂志以澄江发现的微网虫化石作为封面。1992年夏季是澄江化石发掘史上成果辉煌的一年。朱茂炎是第一块完整奇虾类化石的发现者，周桂琴是第一块完整巨虾类化石的发现者。

1995年，陈均远教授在中国南京主持召开了“寒武纪大爆炸国际学术讨论会”，这是有史以来第一次以“寒武纪大爆炸”为议题的国际性学术讨论会。寒武纪大爆炸是借用炸药或原子弹爆发时的突发性，来类比赛武纪早期所发生的一次生物突发事件。

澄江生物化石群所处的时代为寒武纪大爆炸后期。从各方面的证据判断，这一爆炸事件从伏差开始到结束，整个时间短于300万年，可能只有100～200万年。在短短几百万年的时间，生物大量出现，而完全没有祖先的痕迹。几百万年的时间当然很长，但用生命历史35亿年这一尺度来衡量，几百万年只是一瞬间。因此，澄江化石群撼动了达尔文学说。

澄江动物群发现的意义是什么

澄江古生物化石

澄江动物群古生物化石陈列馆位于云南大学孝瞎的科技馆内，是一座以科研、教学为一体的综合性古生物化石陈列馆。馆内陈列的近千块古生物化石，都是经过专家们20多年来艰苦细致的考察、发掘和采集而得，堪称世界古生物化石中的精品。化石虽然分别采自我省的澄江帽天山以及海口、晋宁等地，但都被科学界统称为“澄江动物群”化石。

走进满目湛蓝的陈列馆，仿佛进入了遥远、神秘的海洋世界。一块块距今5.3亿年前精美无比的古生物化石，生动地再现了5.3亿年前海洋生命的壮丽景观，向人们展示了寒武纪地球生物演化的历史过程，是迄今为止地球上发现的分布最集中、种类最丰富的早寒武纪地球生命现象，被国际古生物界誉为“二十世纪最惊人的科学发现之一”。

其中一块被称为“怪诞虫”的古生物化石，是寒武纪最著名的动物之一。此前，英国古生物学家解释说，由于它形状奇异，用刺行走，用触手游泳，与现今生物对比有着天壤之别，真是梦幻动物，所以给它取名“怪诞虫”，而澄江动物群“怪诞虫”古生物化石的出现，恰好推翻了其“背腹倒置”的研究结果。一块以澄江龙潭村命名的“澄江龙潭村贝”古生物化石，以其独特的造型，向人们展示了世界上最早的寄生关系。在澄江动物群“中华微网虫缺戚”古生物化石出现之前，外国古生物学家对此并不认识。直至1991年，一幅“中华微网虫”的图片被刊登在了世界顶级自然杂志《Nature》的封面时，人们才逐渐认识了“中华微网虫”。一块被称为“凤娇昆明鱼”的化石，是1999年在昆明海口地区的澄江化石群地层中被发现的，它的出现使脊椎动物的起源又推进了30万年。在这些化石当中，无论是低等的海绵、水母，还是种类繁多的节肢动物，甚至是高等脊椎动物的鱼化石，各类动物的构造保存完整、千姿百态、栩栩如生。

“有一个美伏慎陵丽的传说，精美的石头会唱歌……”奇异的化石宝库，珍藏着远古生命的秘密，这些沉寂地下5亿多年前的石头，经专家们终年累月的敲打，发出了响彻世界的乐音。该陈列馆的建立对展示远古生物的形态以及对生物进化论的论证有着极其重要的意义。（都市时报）

编辑：陈江涛

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