中国专家证实达尔文猜想：前寒武纪也有化石

高潮

中科院南京地质古生物研究所和中科院高能物理研究所十六日在北京宣布，在对贵州瓮安多细胞动物胚胎化石的外部形态和内部结构进行研究分析后，科学家确认了“具极叶胚胎”这类特殊动物胚胎的存在，从而进一步证实早在五点八亿年前地球上就出现了两侧对称动物。

! T- g* F9 G- z) R# @  b　　这项研究由中科院南京地质古生物研究所陈均远研究员和高能物理研究所有关专家合作，并联合我国台湾和美国、欧洲的科学家共同完成。题为《中国西南地区前寒武纪磷酸盐岩化具极叶胚胎化石》的论文十六日在《科学》杂志上发表。

$ ]6 y- F! U5 a2 l1 g2 ~/ r5 L1 j　　2006年6月16日，《中国西南地区前寒武纪磷酸盐岩化具极叶胚胎化石》在《科学》杂志上发表。文章介绍了中国科学院南京地质古生物研究所研究员陈均远和中国科学院高能物理研究所同步辐射装置的有关专家，联合我国台湾和美国、欧洲的科学家，使用同步辐射相衬成像方法，开展了对贵州瓮安前寒武纪具极叶结构的磷酸盐岩化胚胎化石三维无损伤研究，成功获得了古化石样品细小的(0.1—0.7毫米)内部空间的高分辨结构，证明所观察到的颈状构造的极叶身份，为达尔文的进化论提供了新的证据。

4 q  Z' w: v7 o( x& o　　“这项成果源于古生物学和高能物理学两大学科的交叉。”文章发表的当天下午，中科院高能所的高能物理学家冼鼎昌院士在接受本报记者专访时表示，“这也生动地表明什么是学科的融合、相互促进和当代前沿学科研究进展的多学科互动的不可或缺性。”
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　　化石成为检验达尔文自然演化理论的试金石
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　　1859年，达尔文发表了著名的《物种起源》，创立了自然演化论(有人称为进化论)。但《物种起源》自诞生之日起就受到一些学者的强烈质疑，也经常遭到神学家的猛烈攻击。他们的重要论据之一就是：为什么三叶虫等复杂的生命在寒武纪突然出现？而在此之前却没有化石记录？
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　　达尔文深知前寒武纪化石“零纪录“问题的严重性。在《物种起源》第六版中他写道：“这件事到现在为止还没有办法解释，所以或许有些人正好可以利用这个案例来驳斥我提出的演化论点。”自然演化论似乎等待着两个不同命运的判决，要么前寒武纪根本不存在化石，演化论错了；要么正如达尔文所猜想的那样，前寒武纪不是没有化石，而是没有找到或没有保存下来。
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　　于是化石成为检验达尔文理论的试金石，古生物学家为在比寒武纪更加古老地层中寻找化石付出了巨大努力，也经历了无数挫折。陈均远研究员告诉记者，直到上世纪50年代，加拿大21亿年前微体植物化石和澳大利亚5.6亿年前伊迪卡拉化石群的发现，给自然演化论带来了一个重大突破，困惑达尔文的问题似乎已经解决了。但事实并不是这样。因为伊迪卡拉化石群是否属于多细胞动物仍有许多值得质疑之处，即便可能是多细胞动物，它们也属于非常特化了的生物类型与寒武纪生物之间找不到重要的演化关系。

% r- w. r% s1 `$ W* o　　瓮安化石群可能再现“动物世界黎明的第一刻”

5 P# C9 t& |1 d: ]( O　　直到1998年2月5日，中科院南京地质古生物所陈均远、李家维的研究小组和肖书海、张昀研究小组分别在《科学》和《自然》杂志上报道了来自贵州省瓮安5.8亿年前的多细胞动物化石的发现。陈均远将这一比伊迪卡拉化石群还要早2000万年，比寒武纪还要早4000万年的动物化石群被称为瓮安动物化石群。瓮安动物化石群为世界最古老的动物化石群。那时的地球刚从一个极不利于生命生存、长达一亿多年的大冰期时代走出来。

　　瓮安动物化石群的发现被国外知名演化生物学家誉为20世纪演化论的最重大成就之一。《科学》杂志为这一发现发表了评论，称它“将有可能向我们展现动物历史黎明时期的全景”。但是怎样再现这“动物世界黎明的第一刻”又成为困扰科学家的又一难题。
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　　因为胚胎化石大多很小，只有0.2—0.6毫米。这些胚胎内部结构和卵裂球排列方式一直是一个难以解决的技术瓶颈。据陈均远介绍，研究胚胎化石主要采用两种常规技术手段。一是通过醋酸将胚胎从岩石中分离出来，然后用扫描电子显微镜对它们外部形态进行观察。二是将含化石的岩石加工成厚度只有0.3—0.5毫的薄片用透射显微镜进行寻找薄片中所含的化石，但薄片中的化石已经受到破坏，而且薄片所提供的化石结构方向随机性的缺点。因而胚胎化石内部结构和卵裂球排列方式的研究仍存在有待克服的技术瓶颈。

# I: `, a4 \, [$ U2 l+ x　　共同的兴趣使学科背景相差很远的专家走到一起
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3 Q! y7 h4 X: e" G( V) }　　就是为了解决这个问题，两位学科背景相差很远的专家走到了一起。冼鼎昌院士开玩笑地告诉记者：“我们的‘婚姻’已经有7年历史了。”
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　　1998年，瓮安生物化石群发现的消息在报纸上披露。这项古生物学的研究成果令中科院高能所的高能物理学家冼鼎昌院士很感兴趣。冼鼎昌的研究领域是同步辐射应用，但他对古生物学有浓厚的兴趣。他思考同步辐射在化石研究中的应用已经有一段时间了。他曾找一些地质学家及古生物学家讨论过这个问题，但发觉或是样品太大，或是研究内容并不特别需要同步辐射手段。他在读到瓮安生物群发现的报道后便意识到，同步辐射在这类化石研究中应当是一种非常有效的手段。

　　1999年的全国政协会议上，冼鼎昌在科技组会上做了一个发言，其中提到瓮安化石群发现的重大意义。散会后，冼院士找到了陈均远教授的房间，两个同样对展现动物黎明时期全景充满兴趣和热情的科学家一拍即合。

　　同步辐射给瓮安化石照“X光”解决古生物学难题

　　如何使体积如此小的胚胎化石清晰成像，冼鼎昌院士想到了给瓮安化石照“X光”。

) P+ ~+ i% B5 B3 i$ p4 l　　因为用X光拍照可以避免通常的把化石分层切片观察的方式，不会对化石造成破坏。但事实上，不能使用通常的X光机达到研究目的，因为它的成像分辨能力最好也只有毫米的量级，拍不到胚胎的内部结构。另外，拍出来的图像反差也不好。而同步辐射正好具有足够强度的短波长X光和优良的成像分辨能力。于是冼鼎昌等人把这种技术应用到瓮安化石的研究中，在不损坏化石的情况下，把亚毫米大小的胚胎内部结构拍得一清二楚，并且给出了高精度的三维成像，解决古生物学的一大难题。而古生物学和同步辐射应用的结合也为科学家们打开了新的更广阔的研究视野。
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% L$ B# Y  K5 M6 ]2 H" l4 [7 T) t) i　　学科融合、相互促进是各个领域合作的必然选择
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　　从1999年全国政协会议上的偶遇，到今天冼鼎昌院士和陈均远教授的合作取得巨大成功，证实了达尔文的第二个猜想。冼鼎昌已经记不清他几次去过云南澄江、贵州瓮安，甚至带着与他同一领域的专家去考察，带着陈教授的样本去做实验，从北京到台湾、到日本再到欧洲，直到拍摄的图片达到满意的效果为止。
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　　冼院士现在的领域是同步辐射应用，但是他考虑的不仅仅是设备的问题。在采访中，冼院士一再强调，同步辐射在古生物学领域的成功应用，生动地表明了什么是学科的融合、相互促进和当代前沿学科研究进展的多学科互动的不可或缺性，印证了当代包括同步辐射等先进大科学装置的发展必须走I-M-A三结合发展道路的思想。

　　冼院士告诉记者，I、M、A分别指设备、方法和应用，现在的科学研究领域过分注重应用而不看重设备和方法，其实是一种误区。科学研究如果只靠引进设备，其实很难做出前沿的成果，因为购买的设备有可能运到国内已经不是最先进的了，或者最先进的设备不卖给你，这样当然很难保证研究的先进性。如果方法和工具都依靠引进，将很难做出自主的东西。而现在的研究又必须借助方法和工具，因为现在的科学研究已经非常深入，依靠人自身的器官很难有新的发现。学科交叉、各个领域之间的合作是必然选择，也将大有可为。

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7月22日出版的英国《自然》杂志将以其最高研究论文规格“Article”形式发表西北大学、中国地质大学教授舒德干等与英国剑桥大学康威莫里斯教授合作的、在早期动物演化研究上的又一重大成果——《中国澄江化石库发现棘皮动物始祖化石》，这是他们近年来第三次在该杂志以“Article”形式发表论文。
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　　其前两篇分别揭示出了5.3亿年前寒武纪大爆发动物演化树中，后口动物“半棵树”
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的“顶端类群”脊椎动物始祖和“底端类群”古虫动物门，初步论证了该谱系演化中两个最受关注的问题；而本篇不仅发现了后口动物谱系中一类最为奇特的重要类群——棘皮动物门的始祖类型古囊动物从而在棘皮动物起源探索这一长期困惑学术界的重要难题上取得了关键性突破，而且连同他们过去在《自然》和《科学》杂志上报道的关于半索动物、头索动物、尾索动物等重要发现，首次勾勒出了既包括现生主要类群、同时也包括多种重要绝灭类群在内的迄今最完整的后口动物演化谱系图。
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　　在进化论建立的由低等到高等的动物“演化树”中，占整个动物界95%以上的由三胚层动物构成的庞大“树冠”，依据胚胎发育过程中口的形成方式可划分为原口动物和后口动物两大谱系，它们构成了今天动物多样性的主体。在寒武纪大爆发这一规模最为宏伟的生命创新事件中追寻“树冠”上众多门类的实证起源，无疑构成了进化论第三次大修正的一个核心命题。

# q' F4 g; C) r6 m　　1984年以来的20年间，澄江化石库研究为此做出了重要贡献。前10年里，我国科学家连续不断的发现使早寒武世原口动物“半棵树”开始“硕果累累”；但后口动物“半棵树”却依然是“光秃秃”的。在后来的10年里，舒德干等在《自然》和《科学》上的10篇论文使情况发生了戏剧性变化：在现生后口动物谱系中的全部三个门类里，脊索动物门和半索动物门中的大多数类别的古老代表都陆续浮出水面；而且，还出人意料地发现了一个更为原始的绝灭门类古虫动物门。然而，令人困惑的是，被视作现代海洋中“代表动物”的棘皮动物门(如人们熟悉的海星、海参和海胆)在澄江化石库中却始终不见踪影。这一记录的缺失，成为探索后口动物起源和进行全谱系演化分析的严重障碍。

　　舒德干认为，这次关于奇特演化过渡类型古囊类棘皮动物的发现和深入分析，至少有三方面的意义。一是提出了有实证支撑的棘皮动物门起源的新假说：古囊动物躯体二分，其前体与其它古生代海扁果及海林檎等低等棘皮动物极为相近，而后体却仍保留了原始后口动物古虫类的基本特征；这进一步证实了现代棘皮动物的祖先原本是两侧对称的动物，其独特的五辐射对称体形和复杂的水管系统只不过是演化的后期特化产物；二是在演化形态学上进一步支持了古虫动物门是后口动物谱系中最原始的类别的思想；近年来，这一推测不断得到关于果蝇、蜘蛛、头索动物和脊椎动物的分子生物学研究最新资料的证实：即具有原始分节和简单鳃裂构造的古虫类应该构成后口动物“半棵树”底部的理想类群，初步解决了现代动物学关于后口动物谱系缺失“根底”的困惑；三是古囊动物的发现使人们终于看到了一个完整的后口动物谱系轮廓，因而得以对过去的“五步走”演化假说做出重要补充和发展。新假说认为，后口动物全谱系演化中至少出现过六次重要创新事件；而且，在综合了生物学和古生物学最新信息后，作者们提出了与传统的后口动物“单谱系演化”观念不同的“双谱系演化”新理念。新假说还认为：后口动物谱系共包括三大类群：由某种原始分节动物创生出的咽腔型鳃裂构造引发了动物体在取食和呼吸上的深刻革命，诞生了该谱系底部的“基干类群”古虫动物门；接下来的演化同时产生了两个并行发展的“顶冠类群”：一支通过体节的逐步消失而产生了半索类步带动物，或者通过体节和鳃裂的同时逐步消失而产生了棘皮类步带动物；另一支则主要通过体节和鳃裂的复杂化以及与之相应的尾脊索、全脊索和神经嵴等创新构造的逐步出现，导演出了脊索动物的一系列进步性演化，直至迎来动物界中“最高等类群”脊椎动物的诞生。

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1859年，达尔文的《物种起源》发表后，就不断受到学者的质疑和神学家的猛烈攻击。其中最令达尔文及追随者头疼的是：在地球上没有发现任何寒武纪之前的生物化石，但到寒武纪却突然出现了三叶虫等复杂生命。这里没有生物的演化过程。神学家据此宣传上帝在寒武纪创造了生命。达尔文猜想：前寒武纪的生物化石不是没有，而是还没有被发现。

　　今天上午，中科院南京地质古生物研究所研究员陈均远宣布：他所领导的研究小组“圆了达尔文的梦”，他们找到了前寒武纪生物演化的有力证据。这一成果刊登在了今天出版的《科学》杂志上。
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　　据了解，陈均远联合我国台湾和美国、欧洲的科学家，使用同步辐射相衬成像方法，对贵州瓮安1998年发现的、属前寒武纪地质时代的、具极叶结构的磷酸盐岩化胚胎化石，开展了三维无损伤研究，成功获得了古化石样品细小的(0.1—0.7毫米)内部空间的高分辨结构，证明所观察到的颈状构造的极叶身份。由此不仅为两侧对称动物在瓮安动物群的存在提供新的重要证据，而且也表明两侧对称动物早在5亿8千万年前就已经出现。

　　值得一提的是，中科院高能所研究员冼鼎昌院士提出了用同步辐射成像方法对古生物化石进行三维无损伤研究的设想。他与陈均远研究员领导的小组合作，开展了对所选胚胎化石的研究。研究中，同步辐射相位衬度成像方法起了关键的作用。陈均远及合作者在北京和台湾的同步辐射装置上用这个方法做过具极叶胚胎的三维成像，最后在欧洲同步辐射装置上得到了理想的图像。而如果使用传统方法根本不可能使古生物化石完好无损。
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& a; ]6 K% U# `4 S* V　　据冼鼎昌院士介绍，此项研究获得成功表明，古生物学和同步辐射应用的结合可以为人们打开一个广阔的研究新视野。
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/ N4 `( @$ s- V3 O) }% c　　名词解释

　　寒武纪：寒武纪是距今5亿7千万年前至5亿1千万年前的一个地质时代。在这一时期，大约50个门的大量多细胞生物(包括几乎所有现生生物的祖先)快速出现，被称为“寒武纪生命大爆炸”。
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1 W* a% J. E- p6 c　　这一时期，最繁荣的生物是节肢动物三叶虫，其次是腕足动物、古杯动物、棘皮动物和腹足动物。寒武纪的生物形态奇特，和地球上的现生生物极不相同。三叶虫是无脊椎动物，约占当时寒武纪全部生物的60%，是古生代早期一类比较高级的无脊椎动物。
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　　极叶：动物胚胎在受精后开始进入卵裂及随后的发育阶段。两侧对称动物(如蜘蛛、蝴蝶、恐龙、人类等都是两侧对称动物)的胚胎卵裂有两种类型：辐射状卵裂和螺旋状卵裂，而后者又分为蠕形和真螺旋两类，其中，真螺旋卵裂胚胎中有一类名为“具极叶胚胎”。所谓“极叶”是胚胎在卵裂中形成的一个形似卵裂球的特殊区域，其中没有细胞核，只有来自植物极的某些细胞质。确认“具极叶胚胎”的存在对进一步证实早在5.8亿年前地球上就出现了两侧对称动物具有重要意义。

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哇，发大财了。

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中科院南京地质古生物研究所研究员陈均远日前宣布，他所领导的研究小组找到了前寒武纪生物演化的有力证据，圆了达尔文的“梦”，将生物存在的证据提早到寒武纪以前。

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　　该成果发表在6月19日出版的《科学》杂志上。据中科院高能所冼鼎昌院士介绍，此项研究中，古生物学家和同步辐射专家，利用同步辐射成像方法，获得了胚胎化石的理想图像，而若采用传统方法根本不可能使古生物化石完好无损。

　　1859年，达尔文的《物种起源》发表后，不断受到学者的质疑和神学家的猛烈攻击。其中最令达尔文及追随者头疼的是：在地球上没有发现任何寒武纪之前的生物化石，但到距今5亿7千万年前至5亿1千万年前的寒武纪时代，却突然出现了三叶虫等复杂生命，神学家据此宣传上帝在寒武纪创造了生命。
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( O6 f: O& u5 Q3 D; A7 y6 P　　达尔文因而猜想，前寒武纪的生物化石不是没有，而是还没有被发现。

4 `: }6 Y. C0 S' X: z9 `8 t: v　　日前，陈均远联合我国台湾和美国、欧洲的科学家，使用同步辐射相衬成像方法，对贵州瓮安1998年发现的、属前寒武纪地质时代胚胎化石，展开研究，成功获得了古化石样品细小的(0.1—0.7毫米)内部空间高分辨结构，证明所观察到的颈状构造的极叶(胚胎中形似卵裂球的特殊区域)身份。

　　由此，科学家们不仅找到了两侧对称动物在瓮安动物群存在的重要证据，而且也表明两侧对称动物早在5亿8千万年前就已经出现，对达尔文的物种起源作了进一步的有力证明。

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距今大约5亿年的寒武纪，生命个体发育发展的完全生命周期在当今的古生物研究者那里一直是缺失的。而今，北京大学的古生物专家从寒武纪的胚胎化石中发现了无脊椎动物蠕虫从受精卵到卵裂(孵化)整个胚胎发育全过程的化石。这一研究成果，离描述5亿年前完全生命周期的预言更进了一步。
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　　这一研究的主要承担者之一、北京大学地球与空间科学学院的董熙平教授，今天将在第二届国际古生物大会上报告这一研究近两年的最新成果。和董熙平同时进行该项研究的还有英国布里斯托尔大学的一名专家。
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+ u, v/ t3 u. p6 c　　据介绍，在1994年古生物学界就已经有专家发现了寒武纪的胚胎化石，从那以后，国际古生物界关于前寒武纪、寒武纪胚胎化石的发现就一直没有间断过。但是，从来没有人能够证实这些已经发现的胚胎化石之间到底是什么关系、彼此之间有没有亲缘关系。
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( T+ {. X' l! ~: n/ \& w　　8吨石灰岩中筛选出600余胚胎

3 p# g. p6 C9 t　　“因为无脊椎动物都是软组织，其次胚胎发育时间非常短，导致胚胎化石难以保存。”董熙平教授以秀丽线虫(蠕虫的一类)从受精卵到卵裂的胚胎发育过程只有15个小时为例说明了无脊椎动物胚胎过程的短暂。这也成为影响研究寒武纪生命个体发育过程的重大难题。
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: _$ {# x: u& o: f' _4 `　　1998年，董熙平教授在美国听了一个关于早期胚胎化石研究的报告。回国后，董熙平从1999年开始野外工作，7年时间里成绩卓然。董熙平和助手们从湖南永顺县8吨形成于寒武纪的石灰岩中发现了几千个胚胎化石，从中又筛选出了600多个胚胎，而其中有用的胚胎化石就更少。他们采用形态比较、解剖学特征、分支分析等方法进行了研究。终于证明了这些胚胎化石是距今5亿年的寒武纪无脊椎动物蠕虫的胚胎发育全过程的胚胎化石。“终于把(无脊椎动物)胚胎化石的亲缘关系搞清楚了。”董教授说。

　　肉眼难看清这些胚胎化石

　　这些记录了蠕虫从受精卵开始到卵裂预孵化阶段短短十几个小时的胚胎发育过程的化石，在显微镜下的扫描图片异常清晰，完整而形象地记录了蠕虫胚胎发育的一个个生命瞬间。而据介绍，这些胚胎发育不同时期的化石，最小的只有0.26毫米，最大的也不超过0.5毫米，用肉眼是难以看清的。

　　2004年1月份，这一初步研究成果一公布就在国际古生物界引起了广泛关注。两年来，董熙平和助手们找到了更多的有力证据。这对于追溯地球生物祖先的历史具有重大的意义。国际古生物界权威评论：这项研究，让今天的人们描述距今5亿年的寒武纪完全生命周期的预言将不再是空想。