中元古代早期大型多细胞生物化石的发现

2017-06-09

在国家自然基金和国家973计划项目的支持下，由中国地调局天津地质调查中心朱士兴研究员课题组与中国科学院南京地质古生物研究所朱茂炎研究员课题组组成的一个国际合作小组，在华北燕山地区15.6亿年前的高于庄组中部发现了一个新的碳质宏观化石生物群，通过形态学、细胞学和拉曼光谱的研究，确证它们是前寒武纪多细胞真核生物化石，将多细胞生物的起源提前了近10亿年。该研究成果已于2016年5月刊发于国际期刊《自然通讯》。

一、创新成果

高于庄组新化石是一个达分米级的特大型碳质宏观化石群。它们分布在华北燕山东部的迁西、宽城地区，产于中元古代早期蓟县系底部的高于庄组地层中。根据新U-Pb法同位素年龄限定，含化石层的年龄稍大于15.6亿年。

根据保存较好的58块标本的研究和统计，化石主要包括线形、舌形、楔形和长条形四种形态类型，多数宽度达1.0～3.0厘米，可见长度在10.0厘米以上。其中最大的化石个体宽度可达5.0～8.0厘米，可见长度可达20.0～30.0厘米。从当前的资料来看，它们是迄今在前寒武纪地层中发现的个体最大的化石标本之一。

这些巨大型碳质薄膜状宏观化石不仅形态规则，还有初步的体型分化。它们不仅有上、下之分，有的还有叶柄、叶片和固着器的分化，都说明这些生物都是能进行光合作用的原叶体类多细胞真核生物。

此外，在同层位的围岩样品中还用化学浸泡法多次分析出丰富的具多细胞薄壁组织特征的多细胞结构，并通过激光拉曼光谱的测定确证为真的化石，而非后期的污染。这又使这些巨型碳质宏观化石的多细胞真核生物属性得到了进一步细胞学证据。

总之，这些形态学和细胞学证据都证明这些巨大的碳质宏观化石可排除是原核微生物席碎片和后期污染的可能性，而可确认为一个迄今证据充分、时代古老（～1560Ma）、个体巨大的宏观多细胞古藻类植物群。

二、科学意义

高于庄组大型多细胞真核生物的发现有重大的科学意义，这是地球早期生命演化研究领域中一项重大科学发现，这一发现对早期地球环境演化与生命过程的研究具有重要价值，促进了科学理论创新。

（一）把大型多细胞生物在地球上出现的时间提前了近10亿年

宏观生物的出现是多细胞生物出现的重要标志。前人发现的以宏观碳质薄膜或压模化石为代表的多细胞生物，主要产在新元古代晚期的埃迪卡拉纪的地层中（距今6.35亿～5.42亿年），因此多数人认为地球早期的多细胞生物主要在距今6.35亿年之后才开始出现的。但高于庄组巨大型宏观多细胞真核生物则产出在距今15.6亿年的高于庄组地层中，因而这一发现的首要意义就是改写了多细胞生物在地球上出现的历史记录，把多细胞生物在地球上出现的时间从距今6.35亿年提前了近10亿年。

（二）改变人们对地球早期生物起源、演化历史和演化方式的认识

既然如此巨大的多细胞真核生物已经在15.6亿年的高于庄组中存在，那么更加原始、相对细小或微体的多细胞生物就可能更早开始出现。因此高于庄组的新化石资料不仅进一步增加了朱士兴等早年在年龄更老的长城系团山子组发现的宏观多细胞生物群的可信性，也表明了存在着在比高于庄组和团山子组更老地层中发现较小或微体多细胞生物遗迹的可能性。因此，高于庄组新化石的发现必将极大地改变人们对地球早期生物起源、演化历史和演化方式的认识。

（三）中元古代的古环境应根据新资料来重新认识

生物圈的演化与地球其他层圈的演化，特别是与古大气圈和古水圈中氧含量的增加是协同发展的。以前，由于在埃迪卡拉纪之前中元古代发现的真核生物，尤其是多细胞真核生物的化石甚少，因此许多人认为中元古代是以低氧或还原环境、原核微生物为主的，进化停滞或极缓慢的“无聊的10亿年（Boring billion years）”，并认为是与稳定的构造和海洋条件，尤其是低的氧含量有关。但从高于庄组新的大型真核生物的新资料来看，在中元古代早期，真核生物，包括大型多细胞的真核生物都已相当丰富，它们不仅要进行光合作用，而且还需进行有氧呼吸。甚至还可据此推算当时的氧含量已达到现代氧含量的7% 或更高的的水平（10%）。这样，前人有关多细胞生物开始出现时代和与此有关的元古代古环境的认识，包括古大气圈、古水圈的状况和性质，都要根据新化石的发现和存在来重新认识。

（四）为前寒武纪多细胞生物化石的研究提供了新方法和新途径

该研究不仅对这些化石的形态进行了详细研究，还采用浸泡法在围岩中发现了多细胞组织结构，从而使该研究得以进入了细胞学研究的新阶段。此外还采用激光拉曼光谱和共聚焦显微技术，解决了它们的真假问题，从而为前寒武纪多细胞生物化石的研究提供了新方法和新途径。