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SM211

科学人(第211期/2019年09月号)

SCIENTIFIC AMERICAN
  • 出版日: 2019/09/01
  • 出版社: 远流出版

定价:280元

优惠价:252(红利10点+242元)


产品规格

开本:菊8开
装订:平装
页数:0页
重量:255公克


内容简介

复杂动物华丽崛起 过去认为复杂动物起源於寒武纪大爆发,根据新化石证据和古代海洋化学的分析结果,科学家发现复杂动物出现的时间比寒武纪还早。

撰文/伍德(Rachel A. Wood) 翻译/王心莹

身处西伯利亚,站在巨河周围的陡峭白色悬崖顶,你会在地球生命史上的重要地点留下足迹:此处是5亿4100万年前的地质交界,介於前寒武纪和寒武纪之间。这条分界线下方的岩石仅含有少量的化石残余物,是软体生物和少数有壳生物鬼魅般的印记。如果敲开紧贴着交界处上方的任一处岩石,会看到里面塞满了壳;再往上爬一点,三叶虫等熟悉的化石生物出现了。这些变化所记录的是演化史上最重要的事件之一「寒武纪大爆发」(Cambrian Explosion),但我们对此所知甚少。 数十年来,科学家认为复杂动物(可分化出各种组织的多细胞生物)起源於寒武纪大爆发。没错,这段时期突然冒出大量的新种生物,包括现今许多主要动物类群的祖先。从近期挖掘自西伯利亚、纳米比亚等地的化石看来,复杂动物其实源於前寒武纪的最後一段时期,比寒武纪大爆发还早数百万年,称为艾迪卡拉纪(Ediacaran)。这些化石包括已知具有内、外骨骼的最古老生物,其骨骼由矿化组织构成,这种重要的演化革新可在现今许多动物身上看到。 这类盔甲动物出现的时间可以往回推至5亿5000万年前,表示过去认为推动寒武纪大爆发的生态和环境压力,其实在更久之前就开始运作。我们得先厘清这些因素如何在艾迪卡拉纪塑造出演化最早期的复杂动物,才能了解随後在寒武纪突然出现的惊人生物多样性。 150多年来,寒武纪的化石记录一直是受到关注的研究主题,因此寒武纪化石出现的时间和地点已经建立相当清楚的全球模式:好几个出现在不同大陆的相似化石应属於同一时期,它们依循的相同演化步骤也约莫同步发生。但现今发现一些更古老的艾迪卡拉纪化石,让我们逐渐了解寒武纪大爆发的根源。 可喜的是,多亏新的地球化学技术发展,我们得以重新了解艾迪卡拉纪-寒武纪不断变动的海洋化学状态,逐渐推敲出寒武纪大爆发为何且在何时发生。整合最近新发现的化石和地球化学记录,可以显示出地球系统(生物圈、岩石圈、水圈和大气圈的统称)在这段期间如何运作。我们描绘出明确的图像,显示寒武纪大爆发的数千万年前,海底逐渐成为较复杂生物的居所,为我们所知的动物崛起做好准备。

最古老的动物不会移动 最久远的古代动物证据恐怕不是可辨识的化石,而是有机化合物的残余物,称为生物标记(biomarker)。研究人员在保存非常良好的岩层找到这类由甾烷(sterane)形成的特殊生物标记,地点是阿曼的一处沉积序列,称为胡格夫超群(Huqf Supergroup),至少有6亿5000万年的历史。有些专家认为,这些甾烷是一种特殊的海绵类群所独有,因此胡格夫岩层出现这些分子,即证实这些动物在非常早期就出现。然而,并非所有科学家都认同甾烷是海绵所独有。确实,今年4月发表的一项研究便指出,甾烷也是一群单细胞阿米巴原虫的特徵。 值得讨论的是,最古老动物化石也受到类似的质疑,它们出自中国南部的序列岩层,称为蓝田地层(Lantian Formation),可能有6亿3500万年这麽古老。有些研究人员认为,这些微小的软体动物有触手状构造,可能与珊瑚或水母的起源有关,但这些化石保存的样貌不够完整,无法提供明确的解释,许多研究人员不相信它们代表任何一种动物。 目前最古老的动物化石出自纽芬兰,定年为大约5亿7100万年前,当时最後一次区域性的「雪球世界」(Snowball Earth)冰河期才刚结束,大半个地球都包围着厚冰。牠们是艾迪卡拉纪生物群已知最早的代表性生物,主要是长宽达一公尺的软体动物。有些具有巨大的羽状叶形构造,直立的茎干根植於海底;其他则蔓生於海底,平坦的身体呈现碎形结构,分枝单位在各种尺度都呈现相同的型态。由於所有体型的呈现达到最大表面积,表示这些动物是直接从周遭水中吸收养份。 这种缓慢而温和的动物相变化持续了1000多万年,演化步调突然加速。根据化石记录,大约在5亿6000万年前开始,艾迪卡拉纪的生物群变得多样化,包括居住在浅海的可移动生物。有些化石保存了刮痕,显示动物进食时会擦过藻类团;其他动物则可能拖着身子穿越藻类,从身体下方吸收养份。最早的简单洞穴大约也出现在这个时期,显示动物已开始搬移和扰动海底的沉积物。 时间快转到大约5亿5000万年前,保存着内、外骨骼的最古老化石突然出现在石灰岩层里(主要由碳酸钙构成)。这些化石的大小和型式十分多样,而且出现在相隔遥远的地点,像是西伯利亚、巴西或纳米比亚。在这个时间点,全世界有这麽多无亲缘关系的动物类群都出现骨骼,这正是主要的演化驱动力在全球运作的证据。虽然无法确知究竟是哪种力量,但我们设想:建造骨骼需要耗费很多能量,因此对於采取这种策略的动物来说,获得的好处一定要能超越付出的代价。动物建造骨骼的原因可能有很多,但目前最常见的说法是牠们需要抵挡掠食者。这段时期没有化石证据显示有掠食者现身,但是骨骼已经出现了,表示可能有些动物开始吃其他的动物。

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目录

【关於封面】近年多样的新证据显示,可分化出各种组织的多细胞生物,初登场时间比寒武纪早了数百万年,这群复杂动物演化出骨骼、具有特殊型态,在「艾迪卡拉纪公园」里生活,为华丽的生命揭开序幕。

【演化】 34 复杂动物华丽崛起 文/伍德(Rachel A. Wood)

过去认为复杂动物起源於寒武纪大爆发,根据新化石证据和古代海洋化学的分析结果,科学家发现复杂动物出现的时间比寒武纪还早。

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