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    前寒武纪瓮安生物群动物胚胎化石的研究又取得重要进展

    日期 2010-01-26   来源:   作者:  【 】   【打印】   【关闭

    第   1   期

    (总第429期)

     

      本文提要:以中国科学院南京地质古生物研究所陈均远研究员为首的一个国际科学小组利用目前世界上最先进的微体化石三维无损成像技术——同步辐射相位衬度显微断层成像技术,研究了来自距今约5.8亿年的贵州埃迪卡拉纪瓮安生物群动物胚胎化石。研究结果显示该胚胎化石已经开始了细胞的迁移和分化,并在此基础上产生了极性,即出现了前后轴、背腹轴和左右轴。而这恰恰是三胚层两侧对称动物所独有的生物学特征!这为了解寒武纪大爆发之前后生动物的演化历程提供了重要线索,同时也佐证了现代分子生物学关于后生动物起源和重要分支事件发生时间的预测,使古生物学界的“溯源之旅”又向前迈进了重要一步!

      最近,瓮安生物群动物胚胎化石的研究又取得了重要进展。以中国科学院南京地质古生物研究所陈均远研究员为首的一个国际科学小组利用目前世界上最先进的微体化石三维无损成像技术——同步辐射相位衬度显微断层成像技术,研究了两颗立体保存且有极性分化的动物胚胎化石,这两颗精美的胚胎化石来自我国贵州埃迪卡拉纪瓮安生物群,距今约5.8亿年。相关研究成果不久前发表在美国科学院院报(PNAS)上。这是该科学小组继2004年和2006年在《Science》上分别报道最古老的“两侧对称动物小春虫化石”和“具极叶的动物胚胎化石”以来,为论证前寒武纪瓮安生物群中已经存在两侧对称动物增添的又一力证!

      上个世纪八九十年代,随着我国云南澄江动物群的发现和研究,一个关于地球生命演化的理论(假说)——寒武纪大爆发理论(假说)被推向高潮。该理论(假说)认为,后生动物,特别是两侧对称的三胚层动物在寒武纪初期的几个百万年的时间内迅速崛起,并成功实现了大规模辐射式演化,基本上占领了当时海洋中所有的生态位,使得包括脊椎动物在内的现今地球上所有的复杂动物门类在5.2亿年前全部出现。寒武纪大爆发理论(假说)曾一度被认为是对达尔文进化论的严峻挑战,因为古生物学家并未在前寒武纪地层中找到确切的后生动物化石来证明寒武纪大爆发的源头。然而现代分子生物学的相关研究却认为,寒武纪初期后生动物的辐射式演化并不是一个没有源头的爆发,恰恰相反,它有一个深埋在晚前寒武纪的“根”。古生物学和现代分子生物学的不同观点使得追寻寒武纪大爆发源头,即所谓的“溯源之旅”越来越受关注,以至于在前寒武纪地层中发现确凿的后生动物化石群成为从事早期生命研究的科学家们梦寐以求的愿望。

      1998年2月,美国《科学》和英国《自然》杂志几乎在同一时间分别报道了我国贵州晚前寒武纪(新元古代埃迪卡拉纪)瓮安陡山沱组“海绵动物”和“后生动物胚胎”化石的发现,引发了国际古生物学界对瓮安生物群的普遍关注。这一发现标志着科学界“溯源之旅”取得了重大进展,瓮安生物群也被认为是继澳大利亚艾迪卡拉动物群和我国澄江动物群之后,20世纪古生物学界又一次伟大发现。蜚声国际的演化生物学家,哈佛大学斯蒂芬古尔德(Stephen Jay Gould)教授在其重要著作《奇妙的生命》(wonderful life)一书中将瓮安生物群动物胚胎化石的发现列为20世纪国际古生物学界四大进展之首。那些被磷酸盐化后以三维立体的形态保存在贵州瓮安陡山沱组的动物胚胎化石,以迄今为止地球上最古老的后生动物化石记录的身份,给科学家重新审视寒武纪大爆发理论(假说)提供了崭新的视角。同时更为重要的是,为追寻寒武纪大爆发的源头,即实证研究后生动物尤其是两侧对称动物的起源和早期演化提供了独一无二的材料。

      既然寒武纪大爆发确有其根,那么人们不禁要问它的根究竟在哪里呢?即包括人类在内的复杂多细胞动物的始祖究竟是什么时候开始出现在地球上的呢?这是目前科学界最引人入胜同样也是人们知之甚少的重大科学问题之一。虽然分子生物学家使用分子钟对此进行过许多推测,但不同的分子钟测算的结果差异较大,且因为缺乏相应的化石记录来佐证而未能给出令人满意的答案。现在,瓮安生物群中成吨产出的动物胚胎化石为解决这一难题带来了新的机遇。

      然而,瓮安生物群中绝大部分动物化石处在囊胚期之前的卵裂阶段,囊胚期之后的化石稀少,成体的化石更难觅踪影,故曾有学者悲观地认为,瓮安生物群中动物胚胎在细胞增长到成百上千的数量时仍然没有分化,整体缺失原肠胚期及其之后的阶段。并由此断定它们代表了早期后生动物的基干类群(即后生动物起源时期的祖先类群),真正的海绵动物以及更高等的后生动物,尤其是两侧对称动物在瓮安生物群中可能并不存在。虽然该观点与分子钟的预测相左,但瓮安陡山沱组动物化石记录的偏差使得该观点长期存在。而陈均远研究员等人的研究从根本上动摇了这种推测。

      近几年来,陈均远研究员一直致力于将三维无损成像技术引入古胚胎学的研究。他及其同事的研究工作不仅仅为研究瓮安生物群中的胚胎化石,甚至为整个微体古生物领域开拓了一个新的方向。

      最近在国家自然科学基金重点项目资助下,陈均远研究员和发育生物学家与从事同步辐射成像技术研究的物理学家联合,使用同步辐射X射线相位衬度显微断层成像技术对新发现的两颗动物胚胎化石进行了三维结构重建研究。结果显示这两颗胚胎化石已经开始了细胞的迁移和分化,并在此基础上产生了极性,即出现了前后轴、背腹轴和左右轴,而这恰恰是三胚层两侧对称动物所独有的生物学特征!这些显著特征表明它们与两侧对称动物有着十分密切的亲缘关系。值得指出的是,这两颗胚胎化石在细胞迁移和重排的过程中采用了完全不同的机制,暗示两者可能来自不同的分类群,这不仅说明三胚层两侧对称动物不仅仅在5.8亿年前的晚前寒武纪就已经崛起,而且有了相当程度的分化,这为了解寒武纪大爆发之前后生动物的演化历程提供了重要线索,同时也佐证了现代分子生物学关于后生动物起源和重要分支事件发生时间的预测,使古生物学界的“溯源之旅”又向前迈进了重要一步!




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