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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 。
近期 ， 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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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
来源：环球科学
【动物|地球上最早的动物，可能被她找到了】
编辑：hxg
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