湖北宜昌嫘祖鎮(zhèn)附近，一塊貌不驚人的黑色石塊，在古老巖層中靜靜等待了數(shù)億年。當(dāng)科學(xué)家用顯微鏡揭開它的秘密時(shí)，一個(gè)關(guān)于生命創(chuàng)造力的遠(yuǎn)古故事隨之浮現(xiàn)。
近日，中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所（簡稱南京古生物所）早古生代研究團(tuán)隊(duì)等，在宜昌遠(yuǎn)安發(fā)現(xiàn)了4.8億年前、迄今最古老的層孔海綿化石，因發(fā)現(xiàn)地及其微觀結(jié)構(gòu)與絲綢相似，將之命名為嫘祖冠毛層孔海綿。
這一發(fā)現(xiàn)不僅將造礁的層孔海綿的化石記錄提前了約2000萬年，還揭示了早期礁生態(tài)系統(tǒng)和生物礦化演化的獨(dú)特機(jī)制，為未來研究早期地球環(huán)境與生物相互作用提供了新方向。相關(guān)成果4月1日在美國《國家科學(xué)院院刊》（PNAS）發(fā)表。
發(fā)現(xiàn)最古老的層孔海綿化石
與一般的海綿動(dòng)物不同，大部分古生代層孔海綿沒有骨針，而是具有鈣質(zhì)骨骼，這是一個(gè)重要特征。在北美大陸，由層孔海綿形成的生物礁是非常重要的油氣儲(chǔ)層。
層孔海綿作為古生代奧陶紀(jì)—泥盆紀(jì)標(biāo)志性的淺海造礁動(dòng)物之一，在礁構(gòu)建中的作用、生態(tài)地位和地理分布上，類似于現(xiàn)代珊瑚。
然而，層孔海綿突然融入礁生態(tài)系統(tǒng)引發(fā)一系列有趣的關(guān)鍵科學(xué)問題：最早的層孔海綿何時(shí)出現(xiàn)？它們是如何獲得礦化骨骼的？它們?nèi)绾纬蔀榻干鷳B(tài)系統(tǒng)的重要組成部分？層孔海綿如何在全球范圍內(nèi)幾乎同時(shí)分布并對礁生態(tài)系統(tǒng)做出貢獻(xiàn)？
由于早期層孔海綿化石記錄的缺失，這些問題長期懸而未決。
論文第一作者、韓國高麗大學(xué)博士后全胄完在南京古生物所就讀博士期間，在論文共同通訊作者、南京古生物所研究員張?jiān)獎(jiǎng)咏ㄗh下，前往宜昌進(jìn)行野外考察，發(fā)現(xiàn)了這次報(bào)道的化石。
“宜昌地區(qū)早奧陶世生物礁研究已經(jīng)相當(dāng)深入，因此這是一個(gè)出乎意料的發(fā)現(xiàn)?！比型晗颉吨袊茖W(xué)報(bào)》介紹了該化石名稱的由來，“化石發(fā)現(xiàn)地附近有嫘祖鎮(zhèn)，中國傳說中的嫘祖被認(rèn)為發(fā)明了養(yǎng)蠶和絲綢。這種層孔海綿的微觀結(jié)構(gòu)與絲綢有相似之處，所以用了‘嫘祖’命名?！?/span>
“時(shí)裝秀”上不走尋常路
盡管在剛發(fā)現(xiàn)“嫘祖”化石時(shí)，全胄完花了很長時(shí)間才理解它，但他在博士畢業(yè)前后與多位學(xué)者持續(xù)合作研究，獲得系列發(fā)現(xiàn)。
他們認(rèn)為，嫘祖冠毛層孔海綿是通過氟磷灰石構(gòu)建其骨骼的，這在整個(gè)海綿類中是獨(dú)一無二的。
張?jiān)獎(jiǎng)颖硎荆?/span>“就像廚師嘗試新菜譜一樣，早期動(dòng)物在進(jìn)化過程中‘嘗試’用不同材料構(gòu)建骨骼。以往研究中的海綿化石骨骼建造，要么是碳酸鈣，要么是硅?！?/span>
而“嫘祖”海綿選擇了磷酸鹽來構(gòu)建骨骼，表明海綿動(dòng)物在奧陶紀(jì)早期就已經(jīng)具備了使用硅、碳酸鈣和磷酸鈣這3種生物礦物質(zhì)建造其骨骼的能力和機(jī)制，展示了早期生物適應(yīng)環(huán)境的多樣性，為科學(xué)家理解生命演化提供了新視角。
“這就像是生物在進(jìn)化的‘時(shí)裝秀’上，嘗試了一種獨(dú)特的‘材料’。雖然最終在海綿動(dòng)物中沒有成為主流，但卻展示了生命演化的豐富可能性?！睆?jiān)獎(jiǎng)舆M(jìn)一步解釋了這種獨(dú)特性。
這一新發(fā)現(xiàn)確立了多孔動(dòng)物門，這是第一個(gè)已知的利用硅、碳酸鈣和磷酸鈣3種主要生物礦物質(zhì)的后生動(dòng)物門。
化石記錄前推約2000萬年
早期層孔海綿骨骼中磷酸鹽的存在，拓展了人類對早期動(dòng)物生物礦化能力的理解，這表明早期海綿可能已具備多樣化生物礦化策略所需的遺傳能力。
研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，“嫘祖”海綿可能代表了磷酸鹽生物礦化的早期“實(shí)驗(yàn)品”，后來在海洋化學(xué)變化的背景下，被基于碳酸鹽的海綿所取代。這一發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了環(huán)境因素在塑造生物演化過程中的重要性。
不僅如此，“嫘祖”海綿還形成復(fù)雜的礁結(jié)構(gòu)，在框架構(gòu)建和結(jié)合鈣微生物、石松海綿、瓶筐石、棘皮動(dòng)物等其他造礁生物組分方面，發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
這些早期的層孔海綿所建造的礁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，堪比后來的礁生態(tài)系統(tǒng)。這一發(fā)現(xiàn)將造礁層孔海綿的化石記錄前推約2000萬年。
這項(xiàng)研究的意義不僅在于填補(bǔ)了層孔海綿早期演化歷史的空白，還為理解早期動(dòng)物的生物礦化過程提供了新的視角。它揭示了地球歷史上關(guān)鍵時(shí)期礁生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，以及生物如何適應(yīng)和改變環(huán)境。
審稿人認(rèn)為，目前關(guān)于層孔海綿早期演化歷史的相關(guān)信息仍然非常有限，因此該研究對推進(jìn)這一領(lǐng)域的理解具有重要意義。
作者在宜昌遠(yuǎn)安發(fā)現(xiàn)的早奧陶世層孔海綿—棘皮動(dòng)物生物礁。受訪者供圖
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2426105122
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