寒武紀生命大爆發(fā)（cambrianexplosion）

被稱(chēng)為古生物學(xué)和地質(zhì)學(xué)上的一大懸案──寒武紀生命大爆發(fā)，自達爾文以來(lái)就一直困擾著(zhù)進(jìn)化論等學(xué)術(shù)界。大約6億年前，在地質(zhì)學(xué)上稱(chēng)做寒武紀的開(kāi)始，絕大多數無(wú)脊椎動(dòng)物門(mén)在幾百萬(wàn)年的很短時(shí)間內出現了。這種幾乎是“同時(shí)”地、“突然”地出現在寒武紀地層中門(mén)類(lèi)眾多的無(wú)脊椎動(dòng)物化石(節肢動(dòng)物、軟體動(dòng)物、腕足動(dòng)物和環(huán)節動(dòng)物等)，而在寒武紀之前更為古老的地層中長(cháng)期以來(lái)卻找不到動(dòng)物化石的現象，被古生物學(xué)家稱(chēng)作“寒武紀生命大爆發(fā)”，簡(jiǎn)稱(chēng)“寒武爆發(fā)”。達爾文在其的著(zhù)作中提到了這一事實(shí)，并大感迷惑。他認為這一事實(shí)會(huì )被用做反對其進(jìn)化論的有力證據。但他同時(shí)解釋到，寒武紀的動(dòng)物的祖先一定是來(lái)自前寒武紀動(dòng)物，是經(jīng)過(guò)很長(cháng)時(shí)間的進(jìn)化過(guò)程產(chǎn)生的；寒武紀動(dòng)物化石出現的“突然性”和前寒武紀動(dòng)物化石的缺乏，是由于地質(zhì)記錄的不完全或是由于老地層淹沒(méi)在海洋中的緣故。

詳細說(shuō)明

在距今約5.3億年前一個(gè)被稱(chēng)為寒武紀的地質(zhì)歷史時(shí)期，地球上突然涌現出各種各樣的動(dòng)物，它們不約而同的迅速起源、立即出現。節肢、腕足、蠕形、海綿、脊索動(dòng)物等等一系列與現代動(dòng)物形態(tài)基本相同的動(dòng)物在地球上來(lái)了個(gè)“集體亮相”，形成了多種門(mén)類(lèi)動(dòng)物同時(shí)存在的繁榮景象。這就是至今仍被國際學(xué)術(shù)界列為“十大科學(xué)難題”之一的“寒武紀生命大爆發(fā)”。依照傳統和經(jīng)典的生物學(xué)理論，即達爾文生物進(jìn)化認為，生物進(jìn)化經(jīng)歷了從水生到陸地、從簡(jiǎn)單到復雜、從低級到高級的漫長(cháng)的演變過(guò)程，這一過(guò)程是通過(guò)自然選擇和遺傳變異兩個(gè)車(chē)輪的緩慢滾動(dòng)逐漸實(shí)現的，中國的科學(xué)家通過(guò)古化石研究向這一權威理論提出了挑戰。

在國際上被譽(yù)為“20世紀最驚人的發(fā)現之一”的“澄江動(dòng)物群”化石，就為探索“寒武紀生命大爆發(fā)”的奧秘開(kāi)啟了一扇寶貴的科學(xué)之窗。1984年7月1日，“澄江動(dòng)物群”在云南省澄江縣首次被發(fā)現，這一多門(mén)類(lèi)動(dòng)物化石群動(dòng)物類(lèi)型眾多，且十分珍稀地保存了動(dòng)物軟體構造，首次栩栩如生地再現了遠古海洋生命的壯麗景觀(guān)和現生動(dòng)物的原始特征，以豐富的生物學(xué)信息為“寒武紀大爆發(fā)”研究提供了直接證據。

經(jīng)過(guò)多年的努力，中國在有關(guān)“寒武紀大爆發(fā)＂的古生物學(xué)研究方面已在國際上取得了領(lǐng)先地位。不久前，從事“澄江動(dòng)物群”研究的中科院南京地質(zhì)古生物所陳均遠研究員、云南大學(xué)侯先光教授和西北大學(xué)舒德干教授共同領(lǐng)銜的“澄江動(dòng)物群與寒武紀大爆發(fā)”項目因在早期生命演化研究中取得重大突破，榮獲了國家自然科學(xué)獎一等獎。

遠古的化石群奇跡般地完好保存了生物的礦化骨骼，還保存了大量軟體組織印痕，如：表皮、感覺(jué)器、纖毛、眼睛、腸、胃、消化腺、口腔和神經(jīng)等，甚至有的動(dòng)物好像在臨死前還飽餐一頓，消化道里充滿(mǎn)著(zhù)的食物仍可辨認?；袊目茖W(xué)家們對“澄江動(dòng)物群”的不斷挖掘發(fā)現和深入系統研究，探索了脊椎動(dòng)物、真節肢、螯肢和甲殼等動(dòng)物的起源，證實(shí)了現生動(dòng)物門(mén)和亞門(mén)以及復雜生態(tài)體系起源于寒武紀早期，挑戰了自下而上倒錐形進(jìn)化理論模型，為自上而下的爆發(fā)式理論模型提供了化石證據?，F已描述的澄江動(dòng)物群化石共120余種，分屬海綿動(dòng)物、腔腸動(dòng)物、鰓曳動(dòng)物、葉足動(dòng)物、腕足動(dòng)物、軟體動(dòng)物、節肢動(dòng)物、棘皮動(dòng)物、脊索動(dòng)物等十多個(gè)動(dòng)物門(mén)以及一些分類(lèi)位置不明的奇異類(lèi)群，此外，還有多種共生的海藻。

通過(guò)研究豐富的化石信息，科學(xué)家們?yōu)榻沂尽昂浼o大爆發(fā)”的謎團提出了種種假說(shuō)。陳均遠研究員提出寒武紀生物突變具有極明顯的自發(fā)性進(jìn)化行為的設想；舒德干教授提出“寒武紀暖水與冷水兩大古生物地理分區＂的假說(shuō)等。但目前還沒(méi)有一個(gè)清晰、證據確鑿、令人信服的解釋?zhuān)茖W(xué)家們也在繼續致力于實(shí)地考察和研究，以求早日完全解開(kāi)“寒武紀大爆發(fā)”的謎底。

起源

寒武紀生命大爆發(fā)的起源—埃迪卡拉動(dòng)物群

三葉蟲(chóng)埃迪卡拉（edia）動(dòng)物群是sprigg于1947年在澳大利亞中南部ediacara地區的龐德砂巖層中首先發(fā)現的。最初人們未能確定這一動(dòng)物群的時(shí)代，后來(lái)終于確定為前寒武紀，年齡為6.7億年。埃迪卡拉動(dòng)物群包含三個(gè)門(mén)，19個(gè)屬，24種低等無(wú)脊椎動(dòng)物。三個(gè)門(mén)是：腔腸動(dòng)物門(mén)，環(huán)節動(dòng)物門(mén)和節肢動(dòng)物門(mén)。水母有7屬9種；水螅綱有3屬3種；海鰓目（珊瑚綱）有3屬3種；缽水母2屬2種；多毛類(lèi)環(huán)蟲(chóng)2屬5種；節肢動(dòng)物2屬2種。多保存為印痕化石，盡管它們的形態(tài)、結構都很原始，但它們被認為是20世紀古生物學(xué)最重大的發(fā)現之一。這一發(fā)現使科學(xué)界擯棄了長(cháng)期以來(lái)認為在寒武紀之前不可能出現后生動(dòng)物化石的傳統觀(guān)念。所謂后生動(dòng)物即是指相對于原生動(dòng)物的各種多細胞動(dòng)物

艾迪卡拉動(dòng)物群包含了多種形態(tài)奇特的動(dòng)物化石：身體巨大而扁平、多呈橢圓形或條帶形，具有平滑的有機質(zhì)膜，是人們迄今為止發(fā)現的最古老、最原始的化石，也是在太古代地層中發(fā)現的最有說(shuō)服力的生物證據。按seicher的觀(guān)點(diǎn)，艾迪卡拉動(dòng)物群可分為輻射狀生長(cháng)、兩極生長(cháng)和單極生長(cháng)3種類(lèi)型。除輻射狀生長(cháng)的類(lèi)型中可能有與腔腸動(dòng)物有關(guān)系的類(lèi)群外，其他兩類(lèi)與寒武紀以后出現的生物門(mén)類(lèi)無(wú)親源關(guān)系。

盡管有關(guān)艾迪卡拉（型）動(dòng)物群的性質(zhì)還有許多爭議，但其奇怪的形態(tài)令許多學(xué)者相信，艾迪卡拉（型）動(dòng)物群是后生動(dòng)物出現后的第一次適應輻射，它們采取的不同于現代大多數動(dòng)物采取的形體結構變化方式。不增加內部結構的復雜性，只改變軀體的基本形態(tài)，變得非常薄，成條帶狀或薄餅狀，使體內各部分充分接近外表面，在沒(méi)有內部器官的情況下進(jìn)行呼吸和攝取營(yíng)養。如現代大型寄生動(dòng)物滌蟲(chóng)現代大多數動(dòng)物采取的是保持渾圓或球形的外部形態(tài)的同時(shí)，進(jìn)化出復雜的內部器官來(lái)擴大相應的表面積（如肺、消化道），從化石上可以看出，這些生物已具有了高度分化的組織和器官，說(shuō)明它們已不是最原始的類(lèi)型。它們代表了后生動(dòng)物出現以后的第一次輻射演化因此，可以認為艾迪卡拉（型）動(dòng)物群是在元古宙末期大氣氧含量較低的條件下后生動(dòng)物大規模占領(lǐng)淺海的一次嘗試，結果失敗了，而導致絕滅。在后來(lái)的演化過(guò)程中，后生動(dòng)物采取了第二種方式，使內部的器官復雜化和物種多樣化的發(fā)展，即生物系統演化。

代表

介紹

寒武紀生命大爆發(fā)的代表─云南澄江動(dòng)物群

博物館寒武爆發(fā)的典型代表是被稱(chēng)為20世紀最驚人的科學(xué)發(fā)現之一的我國云南澄江動(dòng)物群，它是世界上目前所發(fā)現的最古老、保存最為完整的帶殼后生動(dòng)物群。該動(dòng)物群是我國青年古生物學(xué)家侯先光1984年在云南澄江縣帽天山首先發(fā)現的。這是一個(gè)內容十分豐富、保存非常完美，距今約5.7億年的化石群，其成員包括水母狀生物、三葉蟲(chóng)、具附肢的非三葉的節肢動(dòng)物、金臂蟲(chóng)、蠕形動(dòng)物、海綿動(dòng)物、內肛動(dòng)物、環(huán)節動(dòng)物、無(wú)絞綱腕足動(dòng)物、軟舌螺類(lèi)、開(kāi)腔骨類(lèi)，以及藻類(lèi)等，甚至還有屬于低等脊索動(dòng)物或半索動(dòng)物(如著(zhù)名的云南蟲(chóng))等。由于許多動(dòng)物的軟組織保存完好，為研究早期無(wú)脊椎動(dòng)物的形態(tài)結構、生活方式、生態(tài)環(huán)境等提供了極好的材料，同時(shí)也成為了探索地球上大殼后生動(dòng)物爆發(fā)事件的重要窗口。

意義

云南澄江動(dòng)物群在生物進(jìn)化研究上的意義

云南澄江動(dòng)物群的發(fā)現，使得我們對在前寒武紀晚期到寒武紀早期生命的進(jìn)化發(fā)展有了較為清晰的認識。它在生物進(jìn)化上的意義至少可以概括為兩點(diǎn)：

首先，該動(dòng)物群的發(fā)現，再次證實(shí)了“生命大爆發(fā)”的存在，成為“寒武爆發(fā)”理論的重要支柱。同時(shí)，它還是聯(lián)系前寒武紀晚期到寒武紀早期生命進(jìn)化過(guò)程的重要環(huán)節。

在該動(dòng)物群被發(fā)現之前的本世紀內就有過(guò)兩次激動(dòng)人心的古生物學(xué)發(fā)現。一次是1910年在北美發(fā)現的距今約5.3億年中寒武紀的“布爾吉斯動(dòng)物群”，另一次是1947年在澳大利亞南部發(fā)現的距今6.8億～6億年之間的“埃迪卡拉動(dòng)物群”。云南澄江動(dòng)物群成了聯(lián)系布爾吉斯動(dòng)物群和埃迪卡拉動(dòng)物群之間的重要環(huán)節，隨著(zhù)對澄江動(dòng)物群研究的深入，埃迪卡拉－澄江－布爾吉斯3個(gè)動(dòng)物群之間的演化關(guān)系會(huì )更加清楚。

其次，澄江動(dòng)物群的發(fā)現為“間斷平衡”理論提供了新的事實(shí)依據，對達爾文的進(jìn)化論再次造成沖擊?！伴g斷平衡”理論認為，生物的進(jìn)化不像達爾文及新達爾文主義者所強調的那樣是一個(gè)緩慢的連續漸變積累過(guò)程，而是長(cháng)期的穩定(甚至不變)與短暫的劇變交替的過(guò)程，從而在地質(zhì)記錄中留下許多空缺。澄江動(dòng)物群的發(fā)現說(shuō)明了生物的進(jìn)化并非總是漸進(jìn)的，而是漸進(jìn)與躍進(jìn)并存的過(guò)程。

原因探討

寒武爆發(fā)吸引了無(wú)數的古生物學(xué)家和進(jìn)化論者去尋找證據探討其起因。100多年以來(lái)的證據產(chǎn)生出解釋寒武爆發(fā)的兩種基本觀(guān)點(diǎn)。一種觀(guān)點(diǎn)認為，寒武爆發(fā)是一種假象，這是某些達爾文或新達爾主義者所持的觀(guān)點(diǎn)。由于進(jìn)化是漸進(jìn)的，所謂的“爆發(fā)”只是表明首次在生物化石記錄中發(fā)現了早在前寒武紀就已經(jīng)廣泛存在并發(fā)展的生物，其它的生物化石群則可能由于地質(zhì)記錄的不完全而“缺檔”，造成這種“缺檔”的原因是前寒武紀地層經(jīng)歷著(zhù)熱與壓力，其中的化石被銷(xiāo)毀了。由于發(fā)現前寒武紀化石沉積層中存在大量象細菌和藍藻這樣簡(jiǎn)單的原核生物，因而這一解釋不再有說(shuō)服力。另一種觀(guān)點(diǎn)認為，寒武爆發(fā)代表了生物進(jìn)化過(guò)程中的真實(shí)事件，科學(xué)家從物理環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的變化兩個(gè)方面來(lái)解釋這一現象。

1965年，兩位美國物理學(xué)家提出了寒武爆發(fā)是由于地球大氣的氧水平這個(gè)物理因素造成的。他們認為，在早期地球的大氣中含有很少或根本就沒(méi)有自由氧，氧是前寒武紀藻類(lèi)植物光合作用的產(chǎn)物并逐漸積累形成的。后生動(dòng)物需要大量的氧，一方面用于呼吸作用，另一方面氧還以臭氧的形式在大氣中吸收大量有害的紫外線(xiàn)，使后生動(dòng)物免于有害輻射的損傷。

生物學(xué)家則從生物本身的生態(tài)關(guān)系來(lái)探討這一問(wèn)題，因為地質(zhì)學(xué)的證據否定了這種氧理論的觀(guān)點(diǎn)。大約在距今10億年至20億年之間廣泛沉積層中含有大量嚴重氧化的巖石，這說(shuō)明在這一時(shí)期內已經(jīng)存在足夠生命爆發(fā)的氧條件。因而生物學(xué)家從兩個(gè)重要事件的出現來(lái)探索造成寒武爆發(fā)的原因，即有性生殖的產(chǎn)生和生物收割者的出現。

從化石資料來(lái)看，真核藻類(lèi)大約在9億年前出現了有性生殖，實(shí)際上，有性生殖出現得更早。有性生殖的發(fā)生在整個(gè)生物界的進(jìn)化過(guò)程中有著(zhù)極其重大的作用，由于有性生殖提供了遺傳變異性，從而有可能進(jìn)一步增加了生物的多樣性，這是造成寒武爆發(fā)的原因之一。

生物收割者假說(shuō)是美國生態(tài)學(xué)家斯坦利提出的，是一種解釋寒武爆發(fā)的生態(tài)學(xué)理論，即收割原則。斯坦利認為，在前寒武紀的25億年的多數時(shí)間里，海洋是一個(gè)以原核藍藻這樣簡(jiǎn)單的初級生產(chǎn)者所組成的生態(tài)系統。這一系統內的群落在生態(tài)學(xué)上屬于單一不變的群落，營(yíng)養級也是簡(jiǎn)單唯一的。由于物理空間被這種種類(lèi)少但數量大的生物群落頑強地占據著(zhù)，所以這種群落的進(jìn)化非常緩慢，從未有過(guò)豐富的多樣性。寒武爆發(fā)的關(guān)鍵是草食收割者的出現和進(jìn)化，即食用原核細胞(藍藻)的原生動(dòng)物的出現和進(jìn)化。收割者為生產(chǎn)者有更大的多樣性制造了空間，而這種生產(chǎn)者多樣性的增加又導致了更特異的收割者的進(jìn)化。營(yíng)養級金字塔按兩個(gè)方向迅速發(fā)展：較底層次的生產(chǎn)者增加了許多新物種，豐富了物種多樣性，在頂端又增加了新的“收割者”，豐富了營(yíng)養級的多樣性。從而使得整個(gè)生態(tài)系統的生物多樣性不斷豐富，最終導致了寒武紀生命大爆發(fā)的產(chǎn)生。

對于“收割理論”科學(xué)家們目前還沒(méi)有找到直接的證據來(lái)證明其正確性，然而，一些間接的證據支持了這一理論。間接證據之一來(lái)自于前寒武紀疊層石，這些由藻類(lèi)組成的疊層石中保存了前寒武紀最豐富的生產(chǎn)者群落。今天，疊層石僅盛產(chǎn)于缺少后生動(dòng)物收割者的貧瘠環(huán)境中，如超鹽量的咸水湖中。藻類(lèi)在前寒武紀地層中的大量存在，大概反映了當時(shí)收割者的貧乏。另外，生態(tài)學(xué)野外研究也提供了一些間接的證據，研究表明，在一個(gè)人工池塘中，放進(jìn)捕食性魚(yú)，會(huì )增加浮游生物的多樣性；從多樣的藻類(lèi)群落中去掉海膽，會(huì )使某一藻類(lèi)在該群落中占統治地位而多樣性下降。

寒武爆發(fā)作為地史上的第二大懸案一直為人們所關(guān)注。隨著(zhù)化石的不斷發(fā)現及新理論的建立，這一謎團最終將大白于天下。

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