寒武纪化石宝库――清江生物群（科技视点）

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清江化石图书馆工地。

照片由西北大学提供

林乔利昆虫。

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清江生物群模拟图。

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清江生物群发现新种。

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12年后，中国科学家在古生物学研究上取得了重大突破——“寒武纪化石宝库”的发现。

不久前，西北大学早期生命与环境创新研究团队张兴亮和傅东静在《科学》杂志上首次发表了他们的研究成果:在湖北宜昌长阳地区发现了一个寒武纪特有的埋藏软体化石库——清江生物群。

"清江生物群是一个令人震惊的科学发现！"艾利森克，国际知名的古生物学家？戴利同时在《科学》杂志发表的题为《寒武纪化石宝藏》的评论中指出:“其化石的丰富性、多样性和保真度都是世界级的，具有很大的科学价值。后续研究有望填补我们对寒武纪大爆发空·怀特的理解，并解决动物物种起源和进化中的一系列科学问题。”

寒武纪生命爆发的秘密还没有被解开

在地球历史不到1%的时间里，大多数动物物种诞生了，这一度让达尔文感到困惑

从大约5.42亿年前到5.3亿年前，它被科学界认为是寒武纪的开始时间。在这1000多万年间，寒武纪地层中突然出现了多种无脊椎动物化石；然而，在更早更老的地层中，长期以来没有发现明显的祖先化石。这种现象被称为寒武纪生命爆发，简称寒武纪生命爆发。

寒武纪大爆发被称为自然科学研究领域的一个大“悬案”，大多数动物物种诞生的时间还不到地球历史的1%，这一度让达尔文感到困惑。

“要解开寒武纪大爆发之谜，除了科学猜想之外，还需要找到一个合适的科学观察窗口——化石库来寻找可靠的化石证据。”张兴亮教授说，1909年以来陆续发现的加拿大伯吉斯生物群和中国云南澄江生物群是科学家梦寐以求的珍贵化石库。

伯吉斯页岩化石库于1909年首次发现于加拿大落基山脉中寒武纪的伯吉斯页岩中，因此得名。这个化石库长期以来主导着古生物学和进化生物学的研究。与普通的保存脊椎动物骨骼的硬化石库相比，伯吉斯页岩化石库不仅可以保存动物骨骼以外的软组织形式如组织和器官，还可以保存水母和海葵等软体生物。这为探索寒武纪大爆发的演化模式和强度以及建立动物生命树的基本结构提供了极好的化石记录。

自从伯吉斯页岩化石库发现以来的100多年里，全世界已经发现了50多个这样的化石库。然而，根据化石保存质量和化石物种多样性标准，只有加拿大的伯吉斯页岩生物群和1984年发现的澄江生物群成为“理想的顶级研究目的地”。

其中，自35年前发现澄江生物群以来，已在数十万个化石标本中发现了280余种，相关研究成果已28次在《自然》、《科学》和《中国科学院院刊》等三大科学期刊上发表，成为中国唯一的化石世界自然遗产。

尽管如此，人们对寒武纪大爆发空·怀特仍有很好的理解，关于动物物种的起源和进化还有许多未解之谜。因此，寻找下一个“理想的顶级研究目的地”已经成为国际古生物学界的一个大梦想。

消灭了半个森林害虫

一个巨大的寒武纪化石宝藏逐渐揭示了它的真实内容

宜昌市长阳县位于湖北省西南部山区，长江、清江中下游，寒武纪地质层分布广泛。

在2007年的暑假，湖北的天气非常热。张兴亮带领傅东敬、刘伟、戴涛等研究生考察长阳地区。

"当时的目标层位是石牌生物群，比澄江生物群出现得晚，也更年轻."傅东静回忆说:“像往常一样，每个人都拿出地质锤，重重地敲了一下。不久，张兴亮老师发现了一个长着大拇指的半虫化石——林李峤虫。”

林乔里昆虫是伯吉斯页岩化石库中典型的虾状节肢动物。然后，侦察队也在这个位置发现了那罗虫。1984年侯先光教授发现澄江生物群时，发现的第一个化石是那罗虫。

在随后的12年里，西北大学早期生命与环境创新研究团队长期坚持野外发掘和室内研究，一个巨大的寒武纪化石宝库逐渐揭示了它的真实内容。

“有人说我们很幸运，但事实上，在发现这种森林害虫的十年前，张兴亮先生已经走遍世界各地寻找这种化石群。运气总会降临到有心人身上，不是吗？”傅东静说道。

研究小组将这一化石宝藏命名为清江生物群，原因之一是该化石埋藏在清江和丹江的交汇处。更重要的原因是，研究小组希望清江和澄江生物群将来能成为世界闻名的“中国两江生物群”。

研究的结果越来越令人兴奋

初步研究发现了109个属，其中53%是以前从未记录过的全新属和新种

即使发现了森林乔木和奈落昆虫，华南和华北仍有许多潜在的化石产地需要研究。“开始的时候，我们一年四季都去侦察，一年大概去清江两三次。当村民告诉我们水位下降，河床露出来时，我们走得很快，雪也不例外。直到2014年，这个化石库的巨大潜力才逐渐得到证实，研究重点也完全转移了。”傅东静说道。

正如大海捞针一样，张兴亮、傅东静和他们的团队在5亿年前的海里发现了2万多只“虫子”。“工人们用撬棍撬开1立方米大小的石头，我们用地质锤沿着页岩层劈开石头，一边劈开一边观察、分类、编号，发现虫子时打包，把它们带出大山，带回实验室。然后清理、讨论、识别、分类并记录每一件物品。”傅东敬说:“每个化石都有一个故事，每个故事我们都很熟悉。”

每次发现寒武纪化石，研究人员都需要查阅大量数据。研究结果越来越令人兴奋。在研究的4351个化石标本中，已初步发现109个属，其中53%是以前从未记录过的全新属种！

生物统计学中的“稀疏曲线”分析表明，清江生物群的物种多样性有望超过世界上所有已知的寒武纪软体化石库，包括伯吉斯页岩和澄江。

据报道，今天地球上的动物界有38门。在寒武纪生命大爆发期间的化石中，已发现20种活的动物和6种灭绝的动物，但仍有18种活的动物没有被寒武纪的化石所代表。在过去的35年里，古生物学家在澄江生物群的研究中发现了许多动物纲的最早化石记录。

在长阳丹江附近的团队工作室的墙上，有一张科研团队用显微镜放大的照片，这是5.18亿年前科学家心目中的海洋世界。这些古代生物有的像水母、虾、蠕虫，有的像西瓜、花，有的甚至有触手和腹部的纹理清晰可见，栩栩如生。

张兴亮兴奋地说:“目前，85%的后生动物没有矿化的骨骼，其中大部分是水母、海葵等没有骨骼的动物。发现如此多形态完整的软体化石是罕见的。”

他解释说，这些化石的“超高保真”是由于清江生物群化石主要以原生碳质薄膜的形式保存，没有明显的成岩作用和风化作用。

目前，这只是冰山一角

更多5.18亿年前未知的秘密正等待科学家去探索

清江生物群距澄江生物群1050公里。张兴亮告诉我们:“生物地层学研究表明，清江生物群和澄江生物群是位于不同古地理位置的现代生物群。它们都有大约5.18亿年的历史，而且它们正处于寒武纪生命大爆发期间动物爆发的高峰期。两者的科研价值是高度互补的。”

张兴亮认为，与澄江生物群相比，清江生物群生活在远离海岸的深水环境中，代表了不同生态环境中的一个全新的生物群，其新属和新种的一半以上可以证实这一点。因此，随后对清江生物群的大规模发掘将为发现和探索新的体型和新的动物物种提供第一手资料，并将进一步提高我们对寒武纪大爆发的科学认识。

此前，由中国科学院院士舒德根带领的西北大学地质系早期生命与环境创新研究团队，基于达尔文关于地球生命是“树状进化”的猜想，通过几十年的研究和论证，勾勒出寒武纪生命大爆发时期基础动物、原始动物和后嘴动物三大分支进化“大树”的基本轮廓，进而在世界上首次构建了完整的早期动物谱系树框架图。

“通过我们所进行的研究，发现清江生物群中以双胚层辐射对称的动物占优势，蛰刺动物的体型差异较大，蜕皮动物中的极稀有动物十分繁盛。此外，我们还发现了许多形状奇特的新物种。随着研究的发展，清江生物群将为‘早期动物谱系树’的枝叶所在的地方找到更直接的生物进化证据。”傅东静说道。

清江生物群化石可以以原生碳质薄膜的形式保存，这也是进行埋藏研究和地球化学研究以及深入古环境研究的理想材料。

据介绍，对动物的系统发育、营养动力学和关键进化特征的研究有赖于发现更多的软体结构和更好的形态保存，如内脏器官、鳃条、脊索、神经组织、心血管系统等。然而，这些属于高度不稳定的组织和器官埋藏。是什么特殊的埋藏机制使伯吉斯页岩化石库能够保存其柔软的结构？这也是今后清江生物群研究中需要解决的问题。

根据张兴亮的研究小组，勃艮第页岩生物群和澄江生物群这两个世界上保真度最高的勃艮第页岩化石储层，在埋藏后经历了严重的地质变化，如高温变质和风化，其样品不能再用于继续实施中的埋藏研究。清江生物群中发现的软体化石奇迹般地保存了原始碳质薄膜形式的有机质。

“毫无疑问，这个地方将为研究埋藏和地球化学，进而为深入研究古环境提供理想的材料。困扰学术界多年的动物软结构的特殊埋藏机制将在清江生物群中得到解决。”张兴亮说。

“清江生物群的研究工作刚刚开始，而我们刚刚揭开了神秘的冰山一角。初步报告描述了生物群的化石组合。古生物分类学和谱系分析将解决动物物种的起源和进化。沉积学、埋藏学和地球化学将解决诸如为什么化石保存得如此完好以及环境条件如何等问题。后续工作可能需要几十年甚至几代人的研究。”张兴亮说。

布局设计:郭翔

《人民日报》(2019年4月8日，第19版)

来源：搜狐微门户