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寒武纪生物大爆炸
地球诞生在46亿年前,至5.43亿年前进入了地质历史上被称为“寒武纪”的时期。寒武纪从5.43亿年前开始,至4.90亿年前结束,历时0.53亿年。从地球诞生至寒武纪,地球历经了40.57亿年的漫长时期,这一时期简称为前寒武纪。前寒武纪虽然时间很长,但在前寒武系中所发现的生物化石很少,而且偶有发现也是比较低等的生物。可是,到了寒武纪很多高等生物突然像“井喷”一样,在地层中冒了出来。这些生物是如何进化来的?它们的祖先在哪里?这个“喷”出来的“生命世界”,怎么会与进化论的真理完全背道而驰?真有无本之木、无源之水吗?这就是令科学家们困惑不解的谜团之一——寒武纪生物大爆炸。
生物大爆炸示意图
轰动全世界的寒武纪生物大爆炸,最典型地点在哪里?它就在我国云南省澄江县帽天山,我国科学家称之为澄江动物群。
7.1.1 澄江动物群
澄江动物群是我国科学家于1984年在我国云南澄江东部的帽天山中发现的。其地层时代为下寒武统(即寒武纪早期)筇竹寺组玉案山段,距今约5.3亿年。澄江动物化石群持续的时间可能长达300万~100万年。
澄江动物群的化石,其保存的完美度好得令人难以置信。如蠕形动物帽天山虫,犹如活的一般,穴居在海底的软泥里,它的如蚯蚓一样的体环非常清晰,就连消化道也依稀可见。全部为软组织的蠕虫,成为化石以后,还像当初活的一般,真难以想象;好运华夏鳗,不但骨骼保存完整,其软体部分也保存得非常好,它好像正在水底游动;还有犹如现在还活着似的西大动物、抚仙湖虫和尖峰虫等。其他化石也和它们一样,虽已成化石,但如刻、如雕、如画,栩栩如生,如云南虫、微网虫、那罗虫、瓦普塔虾、高足杯虫、始虫、古莱得利基虫等。这些保存状况无与伦比的澄江动物群化石发表后,全球为之惊叹。最令人惊异和兴奋的是这里竟然还发现了鱼化石:昆明鱼。这是迄今为止全球发现的最古老的鱼,被国外媒体称为天下第一鱼--中国鱼。此外,还发现了海口鱼。真正的鱼类,以前只在泥盆纪(距今4.10亿~3.54亿年)才有所发现,昆明鱼和海口鱼出现的时间是5.3亿年前。所以,这两类鱼化石的发现,把鱼类出现的时间,提前了1.2亿年。因此,澄江动物群的发现,改写了地球动物进化的历史,对生命发展史的研究作出了划时代的贡献。《纽约时报》认为这是20世纪最惊人的发现;美国《科学新闻》欣喜异常地说,它使陷于绝望的探索生命起源的科学家们欢欣鼓舞。澄江动物群的产地帽天山,于1992年被联合国教科文组织列为“全球地质遗迹东亚优先甲等第四号”。从此,帽天山就成为研究生命起源科学家们的“麦加”。
澄江动物群的地层位置(据侯先光等,1999)
澄江动物群:蠕形动物帽天山虫化石(据陈均远等,1996)
澄江动物群含有众多门类的化石,总共160多属,190余种。澄江动物群化石,种类众多,保存完好,前所未见,闻所未闻,奇特至极,犹如天外来客,令人惊叹、振奋而又迷惑:它们是从哪里来的?
澄江动物群:头索动物华夏鳗化石
澄江动物群:半索动物云南虫化石
澄江动物群:奇特皮鱼型动物西大动物化石
澄江动物群:叶足动物微网虫
微网虫复原图
澄江动物群(约5亿年前)复原图
澄江动物群:节肢动物那罗虫化石
澄江动物群:节肢动物周小姐虫(右上)与那罗虫(左下)复原图
澄江动物群:节肢动物抚仙湖虫化石
澄江动物群:节肢动物抚仙湖虫复原图
澄江动物群:腔肠动物高足杯虫化石
澄江动物群:节肢动物始虫化石
澄江动物群:浮游双瓣壳节肢动物瓦普塔虾化石
澄江动物群:节肢动物尖峰虫化石
澄江动物群:底栖生物腔肠动物先光海葵(下中偏右)、高足杯虫(右和右下)和带虫(左下)复原图
澄江动物群:节肢动物始虫
澄江动物群:浮游双瓣壳节肢动物等刺虫(左上)、瓦普塔虾(右)、古虫(中下)复原图
澄江动物群:节肢动物古莱得利基虫(一种三叶虫)化石
三叶虫复原图
灰姑娘虫化石
澄江动物群:节肢动物灰姑娘虫(上)、谜虫(下)复原图
奇虾化石
澄江动物群:与节肢动物具有同源演化关系的奇虾动物奇虾复原图
昆明鱼化石
海口鱼化石
(舒德干供稿)
7.1.2 寒武纪生物大爆炸的历史回顾与科学思考
澄江动物群给我们演示了如梦如幻大爆炸的一幕,但惊喜之后百问丛生。为什么如此众多门类、包含有节肢动物、脊索动物和脊椎动物等高级生物会在此刻突然涌现?为什么在前寒武纪漫长的40.7亿年中,我们却很少发现类似的化石?澄江动物群祖先们走过的历史“足迹”留在了何方?大爆炸的生物真的是从天外突至?难道真有无本之木、无源之水?难道生命的演化能够停驻40多亿年?又是什么因素引发了大爆炸?我们应如何科学地解译寒武纪生物大爆炸给出的信息?大爆炸意味着什么?这些问题有待我们一一破解。
7.1.2.1 历史回顾
(1)布尔吉斯动物群。无独有偶,1909年,美国科学家在加拿大落基山的中寒武纪地层里发现了布尔吉斯动物群。当时的布尔吉斯动物群也轰动了全世界,因为它和澄江动物群一样,几乎含有所有的现生动物的各个门类,同时还包含了许多已灭绝的门类和难以归属的化石。不但种类丰富,数量也多得惊人,仅美国的自然历史博物馆就收藏了65000件布尔吉斯动物群的标本。但是,布尔吉斯动物群距今5.15亿年,时代为中寒武世;而澄江动物群距今5.3亿年,时代为早寒武世。所以,布尔吉斯动物群是澄江动物群的晚辈,其比澄江动物群要晚1500万年。因此,我们可以设想,从地球诞生至澄江动物群出现的,这40.7亿年漫长的岁月中,一定还有另外的“澄江动物群”,只是我们现在还没有在地层的记录中找到它们而已。“寒武纪生物大爆炸”不会是上帝制造的,也不会是突然冒出来的,生命演化的过程也不可能被“冰封”40多亿年。
布尔吉斯动物群复原图
(2)梅树村动物群。澄江动物群之后,有布尔吉斯动物群。在澄江动物群之前,并不是没有发现任何化石,科学家在其之前就找到了梅树村动物群(小壳动物群)、瓮安动物群和埃迪卡拉动物群。小壳动物群是在5.4亿年前早寒武世初期出现的带壳的海生无脊椎动物的总称。它包含有多种门类带壳的海洋无脊椎动物化石,如双壳类、腕足类、腹足类、喙壳类、软舌螺类、单板类、锥石类、节肢动物、海绵、管状动物、球状动物、牙形石等众多门类和一些很难确定其分类位置的动物化石,其化石很小,一般在0.1~5毫米。在我国以长江流域下寒武统底部梅树村阶的动物群最为典型,所以被称之为梅树村动物群。它比澄江动物群早1000万年,约为5.4亿年前。
从现在的发现与研究来看,寒武纪生物大爆炸可以分为3次:第一次大爆炸产生了梅树村动物群,距今5.4亿年,可称为序幕;第二次大爆炸产生了澄江动物群,距今5.3亿年,为顶峰期;第三次大爆炸产生了布尔吉斯动物群,距今5.15亿年,为尾声。
梅树村动物群化石
梅树村动物群在我国的秦岭、华北南部、长江流域、塔里木盆地都有发现,它在全球的分布也很广。因为分布广、数量多且门类少等原因,人们对其重视的程度远不如澄江动物群、布尔吉斯动物群。不过,科学家在前寒武纪(5.43亿年前)的地层中,还发现了另外两个动物群——埃迪卡拉动物群和瓮安动物群。
(3)埃迪卡拉动物群。1947年,科学家在澳大利亚中南部埃迪卡拉地区的前寒武纪末期5.6亿年前的庞德砂岩层中,发现很多特别奇异的化石。有的像花朵,有的像雕刻出来的花纹图章,有的像直立的大片焦叶。它们看起来像植物,其实都是动物,和我们现在所看到的动植物的形态截然不同。有的没有口、没有肠,也没有肛门,如何生存,令人困惑。它们真的和深海黑烟囱的动物一样靠共生的化学自养细菌生存吗?埃迪卡拉动物群含有三个门、19个属、24种低等无脊椎动物。3个门是腔肠动物门、环节动物门和节肢动物门。其中,水母7属9种;水螅3属3种;海鳃目(珊瑚纲)3属3种;钵水母2属2种;多毛类环虫2属5种;节肢动物2属2种。除了澳大利亚以外,埃迪卡拉动物群在北美、英格兰、瑞典、威尔士、新西兰、波罗的海、东欧、西伯利亚和我国华南等地均有分布。其实,早在1908年,科学家就在纳米比亚地区发现了该动物群化石,但是,不知什么原因,没有引起各方人士的重视。在这里特别值得一提的是,2006年我国科学家在贵州省江口前寒武纪末期5.6亿年前的地层里,发现一只非常精美的八臂仙母虫:轮盘形、直径25~31毫米、与1元钱硬币大小相当。
八臂仙母虫化石及其复原图
埃迪卡拉动物群化石
埃迪卡拉动物群化石
埃迪卡拉动物群复原图
(4)瓮安动物群。我国科学家在贵州瓮安前寒武纪末期震旦纪的地层里,发现了距今5.8亿年的动物化石,称之为瓮安动物群。瓮安动物群中发现的动物的卵和动物的多细胞胚胎(如水螅胚胎)化石震惊了全世界。在5.8亿年前的前寒武纪末期的地层里,人们从来没有想象过能找到如此精美的化石,更难以预料它们竟然是卵和胚胎化石。科学家们惊呼:它是一扇探索原始动物起源的闪亮窗口,开启了储存原始生命奥秘的信息库。此外,瓮安动物群还含有管状后生动物、微小两侧对称的后生动物、可疑海绵动物、腕足动物和环节动物、珊瑚幼虫和藻类等。我们特别要着重提出的是,依据对瓮安动物群中动物的卵和动物的多细胞胚胎的研究,其卵裂的方式已经不是最原始、最简单的形式,而是包含有辐射卵裂、旋转卵裂、螺旋式卵裂、双重螺旋卵裂、四重螺旋卵裂;同时含有具极叶形式胚胎和与现生扁虫相似的T字形四细胞胚胎。这些高级形式的卵裂和胚胎,表明瓮安动物群至此已经走过了很长的演化历程,表明除了在寒武纪时出现的高级的节肢动物和脊索动物以外,其他低级无脊椎动物门类的祖先可能已经显现。瓮安生物群比埃迪卡拉动物群早2000多万年。瓮安动物群是迄今为止在地层里所发现的最古老的动物化石,是研究远古生命演化历程最为宝贵的记录。
瓮安动物群
瓮安动物群
瓮安动物群:真体腔两侧对称动物贵州小春虫复原图(约0.2毫米)
瓮安动物群
瓮安动物群和埃迪卡拉动物群的发现,证明了在寒武纪之前除了高级的脊索动物没有以外,其他高级的无脊椎动物如节肢动物等几乎都有。其对破解寒武纪生物大爆炸之谜,提供了科学的证据。
7.1.2.2 科学思考
如前所述,寒武纪生物大爆炸在寒武纪里并不是空前绝后的一次,目前已知它一共有3次。在寒武纪之前,也并不是没有生物存在,所以如果要说生物大爆炸的话,在寒武纪之前已发现有两次,与寒武纪的3次合计共5次。其由老到新的次序为:瓮安动物群(5.8亿年前)、埃迪卡拉动物群(5.6亿年前)、梅树村动物群(5.4亿年前)、澄江动物群(5.3亿年前)、布尔吉斯动物群(5.15亿年前)。它们从前寒武纪末期的震旦纪(埃迪卡拉纪)至寒武纪中期,跨越了时间的长河、大步地发展而来。这个发展史,使科学家们确信生命的演化有其自己的历程,从简单到复杂、从低级到高级、从多样性贫乏到多样性丰富、从智能低到智能高;生命的表现形式也不会总是如今这个样子。它们会从量变到质变、从渐变到突变,或者反转过来从质变转成量变、从突变转成渐变。这个发展史,也证明了“大爆炸”中出现的生物,并不是从天上掉下来的,更不是上帝的手捏出来的,而是其自身历史发展的必然结果。因此,在某种意义上讲,前寒武纪的瓮安动物群和埃迪卡拉动物群已经为其后来的寒武纪生物大爆炸准备好了“导引线”和“炸药”,它使存疑百年的寒武纪生物大爆炸之谜自然消融,使因被大爆炸的“冲击波”冲击,而偏离进化论的学者,又回归到了正确的轨道,也使神创论烟消云散。
所以,科学地讲,寒武纪的生物大爆炸,既不是大爆炸,也不是大爆发,把它称之为像考古一样的大发现,可能更加贴切,更加符合地质记录的实际状况。因为,有的记录我们可能还没有发现,有的记录还可能缺失。而且,这些“昙花一现”式的动物群所记录的时间,一般只有100万~300万年,它们对于46亿年漫长的地质记录来说,只是很短的“一瞬间”。所以,从上面的论述中,人们一定会相信,随着科学的发展、技术的进步、思路的拓新、对生命表现形式认识的变革、工作的深入、时间的前进,人们在寒武纪长达0.53亿年的地层里,在长达40.57亿年的前寒武纪的地层里,一定会发现更多、更丰富的生物群。生命发展的断链,一定会被新发现的环扣连接上。
寒武纪物种大爆发的原因是什么
寒武纪生命大爆发的真正原因
寒武纪生命大爆发被称为古生物学和地质学上的一大悬案。寒武纪生命大爆发自达尔文以来就一直困扰着进化论等学术界。大约6亿年前，在地质学上称做寒武纪的开始，绝大多数无脊椎动物门在只2000多万年时间内出现了。这种几乎是“同时”地、“突然”地在2000多万年时间内出现在寒武纪地层中门类众多的无脊椎动物化石(节肢动物、软体动物、腕足动物和环节动物等)，而在寒武纪之前更为古老的地层中长期以来却找不到动物化石的现象，被古生物学家称作“寒武纪生命大爆发”，简称“寒武爆发”。
达尔文在其《物种起源》的著作中提到了这一事实，并大感迷惑。他认为这一事实会被用做反对其进化论的有力证据。但他同时解释到，寒武纪的动物的祖先一定是来自前寒武纪动物，是经过很长时间的进化过程产生的；寒武纪动物化石出现的“突然性”和前寒武纪动物化石的缺乏，是由于地质记录的不完全或是由于老地层淹没在海洋中的缘故。这就是至今仍被国际学术界列为“十大科学难题”之一的“寒武纪生命大爆发”。 依照传统和经典的生物学理论，即达尔文生物进化认为，生物进化经历了从水生到陆地、从简单到复杂、从低级到高级的漫长的演变过程，这一过程是通过自然选择和遗传变异两个车轮的缓慢滚动逐渐实现的。
科学家们为揭示“寒武纪大爆发”的原因提出了种种假说。陈均远研究员提出寒武纪生物突变具有极明显的自发性进化行为的设想；舒德干教授提出“寒武纪暖水与冷水两大古生物地理分区"的假说等，但目前还没有一个清晰、证据确凿、令人信服的解释。
寒武纪生命大爆发吸引了无数的古生物学家和进化论者去寻找证据探讨其起因，但都没有找到寒武纪生命大爆发的真正原因，所以把寒武纪生命大爆发认为是反对进化论的有力证据。
地球膨裂说认为“雪球地球’冰期后地温急聚升高是寒武纪生命大爆发的真正原因。“雪球地球”理论认为，地球在距今7.5亿到5.8亿年前曾经经历了一次极其严重而漫长的冰河时代——瓦兰吉尔期。当时不仅陆地全部被冰川覆盖，海洋表面也被完全冻结，液态水靠来自地球核心的热量支持，存在于1公里厚的冰层下。如果从太空看，地球完全是一巨大的“雪球”。“雪球地球”假说最早由美国地质学家约瑟夫·可西文克博士1992年首先提出。“雪球地球”的假说有哪些根据？第一，地球在距今6亿到8亿年间广泛发育了一层或多层称为“冰积岩”的冰川沉积，它代表了全球性的寒冷气候。最著名的一次冰期发生在距今6亿年左右，几乎在现今所有大陆上都留下了可靠的记录，地质学上称为瓦伦格冰期。不管怎样，在地球上很好保存了距今6亿到8亿年的地层中，几乎都能找到同期的冰川沉积。很显然，这个寒冷气候是一个全球性事件。第二，在地球的历史中，很多数据表明，地球在距今6到8亿年间，冰积岩大多沉积在中、低纬度附近，换句话说，也就是赤道和赤道附近，也是陆地主要分布的区域。这方面的资料得出这个结论：广泛的寒冷气候发生在地球的赤道及其附近区域。
地球膨裂说认为，虽然生命在38亿年前形成，但因为地球逐渐变冷，直到8亿年前的“雪球地球”时期的零下50度，冰层12000米厚，物种的进化速度非常缓慢。
“雪球”为什么解冻，变成现在这样的地球，地球膨裂说认为，8亿年前，由于地球内部的放射性物质不断衰变放出热量，使地球发生较大膨裂，造成大量岩浆喷出地壳，使地球的气温急聚升高，冰川溶化，冰臼就是在这一时期形成的。地球气温从震旦纪（8亿年前）的摄氏零下50度，上升到现在的最高温度摄氏58度，8亿年上升了108度，地球的气温平均每1千万年自然升高1.35摄氏度。
地球膨裂说认为，8亿年前地球的气温急聚升高，非常适合生物繁衍，进化速度急聚增加，所以发生了寒武纪生命大爆发。
作者：赖柏林
地球在什么时候开始出现生物大爆发
寒武纪是显生宙(PhanerozoicEon)的开始，标志着地球生物演化史新的一幕。在寒武纪开始后的短短数百万年时间里，包括现生动物几乎所有类群祖先在内的大量多细胞生物突然出现，这一爆发式的生物演化事件被称为“寒武纪生命大爆炸”(Cambrianexplosion)。带壳、具骨骼的海洋无脊椎动物趋向繁荣，它们营底栖生活，以微小的海藻和有机质颗粒为食物，其中，最繁盛的是节肢动物三叶虫，故寒武纪又称为“三叶虫时代”，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，和我们现在地球上所能看见的生物极不相同。比较著名的有早寒武世云南的澄江动物群、加拿大中寒武世的布尔吉斯页岩生物群。寒武纪的生物界以海生无脊椎动物和海生藻类为主。无脊椎动物的许多高级门类如节肢动物、棘皮动物、软体动物、腕足动物、笔石动物等都有了代表。其中以节肢动物门中的三叶虫纲最为重要，其次为腕足动物。此外，古杯类、古介形类、软舌螺类、牙形刺、鹦鹉螺类等也相当重要。抛开牙形石不说，高等的脊索动物还有许多其他代表，如我国云南澄江动物群中的华夏鳗、云南鱼、海口鱼等，加拿大布尔吉斯页岩中的皮开虫，美国上寒武统的鸭鳞鱼。采纳哦
