話說6億年前的動物胚胎

文/袁訓(xùn)來

在貴州省中部地區(qū)，有一個面積1974平方千米、人口40多萬的小縣——甕安縣。20世紀(jì)末，因為在縣城西南16千米處的甕安縣磷礦地區(qū)發(fā)現(xiàn)了距今6億年的動物胚胎化石，使甕安這個偏居一隅的小縣城備受矚目，也震撼了整個生物學(xué)界。

現(xiàn)生動物進(jìn)行有性生殖都要經(jīng)過“胚胎”發(fā)育這一過程：卵子受精后形成受精卵，或稱為合子，絕大多數(shù)合子發(fā)育都會由一個細(xì)胞分裂成2個、4個、8個乃至2n個細(xì)胞，直到有細(xì)胞分化、組織分化和器官分化，在長成幼蟲前都被統(tǒng)稱為胚胎發(fā)育階段。我們熟知的“蛋”和“籽”絕大部分是胚胎。

無獨有偶，在貴州省甕安磷礦距今約6億年的巖石中就保存了代表動物胚胎發(fā)育全過程的化石標(biāo)本。這些動物胚胎是如何發(fā)現(xiàn)的？為什么認(rèn)為它們是動物的胚胎而不是別的生物？要知道，6億年前是一個非常遙遠(yuǎn)的過去，地球上就連可靠的動物化石都沒有發(fā)現(xiàn)，更何況是胚胎呢！而且這里保存的胚胎化石之豐富，是令人難以想象的。以甕安磷礦七八十平方千米、平均厚度七八米的含胚胎化石的巖石（在很多地方的富集層，胚胎化石超過巖石總重量的40%）計算，動物胚胎化石應(yīng)該數(shù)以億噸計！

對甕安動物胚胎的解釋有一個認(rèn)識過程。在20世紀(jì)90年代初，古生物學(xué)家用醋酸（日常用醋的主要成分就是醋酸）浸泡甕安磷礦石時，發(fā)現(xiàn)醋酸溶解后的殘留物中含有無數(shù)球形顆粒，直徑在0.5毫米左右，用掃描電子顯微鏡（能分辨出納米級的結(jié)構(gòu)）進(jìn)行仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)這些球形顆粒的最外面有一層殼，其上有不規(guī)則的瘤狀裝飾，絕大多數(shù)情況下瘤狀殼包裹著一個光球體，少部分標(biāo)本有2個、4個、8個、16個乃至2n個有規(guī)律出現(xiàn)的小球。毫無疑問，單從這些特征就能夠肯定瘤狀球形物是生物化石，但究竟是何種生物的遺體呢？古生物學(xué)家通過與現(xiàn)代一些藻類進(jìn)行形態(tài)對比，認(rèn)為它們與綠藻門中的團(tuán)藻相類似，而與其他藻類形態(tài)相差較大，很自然就把它們歸入綠藻。

在當(dāng)時的研究中，把它們看作藻類而沒有往動物胚胎方面去想，還有一個非常重要的原因，那就是藻類與其他植物一樣，細(xì)胞都具有細(xì)胞壁，較為容易形成化石，地質(zhì)記錄中就有很多植物和藻類細(xì)胞保存為化石；而動物細(xì)胞沒有細(xì)胞壁，只有一層幾十納米厚的細(xì)胞膜，很難形成化石，所以地質(zhì)記錄中動物細(xì)胞化石極為罕見。

大約在這些球狀化石被描述為藻類發(fā)表后的第三個年頭，另一些古生物學(xué)家對它們進(jìn)行了研究，認(rèn)為它們不是藻類化石，而是動物的胚胎化石。他們是這樣分析的：藻類細(xì)胞在分裂時雖然也能產(chǎn)生2n個有規(guī)律出現(xiàn)的細(xì)胞集合體，但是每個分裂階段的細(xì)胞大小都是不變的；也就是說，隨著細(xì)胞的增加，細(xì)胞集合體的體積也相應(yīng)地成倍增長。但是，甕安的球形化石并不是這樣，細(xì)胞每分裂一次，單個細(xì)胞的體積就比母細(xì)胞減小1/2，而整個細(xì)胞聚合體的體積幾乎保持不變。這一特點與動物胚胎的早期發(fā)育過程非常類似！由此，他們對甕安的球形化石做出了完全不一樣的結(jié)論：它們是6億年前動物留下的胚胎！1998年，肖書海博士等人在英國著名學(xué)術(shù)刊物《自然》上以《新元古代磷塊巖中三維保存的藻類和動物胚胎化石》為題發(fā)表了他們的研究成果，引起了強(qiáng)烈的反響。美國科學(xué)院院士、哈佛大學(xué)生物系的安德魯·諾爾教授認(rèn)為動物胚胎的發(fā)現(xiàn)是我們認(rèn)識地球早期動物演化的新窗口，已故國際著名演化生物學(xué)家、哈佛大學(xué)的斯蒂芬·古爾德教授在《紐約時報》上稱胚胎化石的重要性可以與20世紀(jì)50年代在加拿大岡福林特燧石中發(fā)現(xiàn)的前寒武紀(jì)化石相比擬，是20世紀(jì)古生物學(xué)的重要發(fā)現(xiàn)之一。

但這個有關(guān)胚胎化石的故事還只是一個開始，當(dāng)時對胚胎的解釋也有很多值得質(zhì)疑和斟酌的地方。例如，在6億年前，動物胚胎這種沒有堅硬外殼、轉(zhuǎn)瞬即逝的微小生命體是如何保存為化石的？地質(zhì)記錄上沒有可靠的動物成體化石之前，為何有如此數(shù)量眾多的胚胎化石？隨后的深入研究慢慢揭開了這層神秘的面紗。一般的動物胚胎即便在一個地方匯集，也很容易因腐爛和降解而面目全非，但甕安磷礦地區(qū)的胚胎卻經(jīng)歷了6億年的地質(zhì)作用還得以完美保存，這其中的秘密到底是什么？原因是這樣的。比方說，新鮮的棗子很容易腐爛，但是經(jīng)過糖水浸泡后制成蜜餞就可以長久保存。這些動物的胚胎在這里沒有很快腐爛，主要是因為這些動物的胚胎一來到世間，很快就被磷酸鈣“澆鑄”和“滲透”，在幾天甚至短短幾小時里，這些胚胎就變成了石頭，即便在水里翻滾和漂流，也能夠得以完整保存，并隨著其他沉積物成為巖石后永久地保存下來。

可以肯定，這數(shù)以億噸計的胚胎化石并不是短時間內(nèi)形成的，七八米厚、富含胚胎化石的巖層至少經(jīng)歷了數(shù)百萬年甚至千萬年的積聚。但是，為什么動物都把“蛋”下在同一地區(qū)呢？除了長期的堆積外，還與甕安磷礦地區(qū)的古地理位置有關(guān)。當(dāng)時該地區(qū)很可能是淺海中的一個“洼地”，其他周邊地區(qū)的胚胎化石經(jīng)過風(fēng)浪的搬運，再沉積到這里。

其實，有關(guān)甕安磷礦胚胎化石最難解釋和最需要回答的問題是：是何種動物下的“蛋”？眾多古生物學(xué)家多年來都在努力尋找答案，但直到最近才取得突破性進(jìn)展——我們找到了這些胚胎連續(xù)發(fā)育到后期的化石證據(jù)，甚至可以看作是成體的標(biāo)本！

甕安生物群中盤狀卵裂的動物胚胎化石

連續(xù)發(fā)育的胚胎和可能的成蟲化石。具有同樣瘤狀裝飾的外殼表明它們是同一種動物留下來的化石。

過去發(fā)現(xiàn)的化石只是2個、4個、8個、16個乃至2n個細(xì)胞的集合體，細(xì)胞沒有分化，每個細(xì)胞都完全相同。新發(fā)現(xiàn)表明，眾多細(xì)胞發(fā)育成一個螺旋狀生物體，它“躲藏”在瘤狀殼包裹內(nèi)，并在外殼上“鉆出”一連串的、順時針規(guī)則旋轉(zhuǎn)的小孔。這是一類未知而神奇的動物，就目前來看，還沒有發(fā)現(xiàn)一種現(xiàn)生動物的身體構(gòu)型可以與之進(jìn)行對比。

前面已經(jīng)說過，該時期的動物胚胎幾乎是地球上出現(xiàn)的首批動物代表，距今已有6億多年，它們與現(xiàn)代的動物外貌相差懸殊是完全可以理解的。我們雖然不能直接與現(xiàn)代動物進(jìn)行比較，但根據(jù)這些保存精美的結(jié)構(gòu)，還是能夠?qū)λ鼈兊男袨槁灾欢?。我們推測，這些螺旋排列的小孔對該動物的取食、運動和排泄等功能可能起到了至關(guān)重要的作用：首先，它們是該動物的運動“器官”，可以想象，只要里面的動物稍有動靜，就會從螺旋排列的小孔中產(chǎn)生水流，水體的螺旋流動能夠使得該微小動物體向某一個方向運動；其二，動物可以借助小孔里的水體流動跟外部環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和能量交換，一些細(xì)菌或細(xì)菌大小的有機(jī)顆粒會順著水體的流動被動進(jìn)入殼體內(nèi)部，從而被里面的動物捕獲，動物的代謝產(chǎn)物（或排泄物）也可以順著水流從小孔中排出殼外。還有一個特征值得一提，就是每個小孔的周圍都有一層較厚的邊緣，與外殼的瘤狀裝飾明顯不同，很可能是動物的有機(jī)代謝產(chǎn)物在排出殼體后慢慢累積而成的。通過這一特征，可以推測該動物（即使不是成體）在此狀態(tài)下已經(jīng)生活了較長一段時間。

從進(jìn)化的角度來看，最早期動物的身體結(jié)構(gòu)和功能很可能不夠完善，借助水流進(jìn)行被動取食、排泄和運動是必要的，也是完全可以理解的。例如，我們熟知的海綿動物也是地球上較早出現(xiàn)的動物類型之一，它們從5.4億年前到現(xiàn)在，都是以過濾水流進(jìn)行被動取食和排泄的。

經(jīng)過多年的深入研究，關(guān)于甕安磷礦發(fā)現(xiàn)的距今6億年的動物及其胚胎化石已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展?，F(xiàn)在看來，還有一個問題需要回答：那就是動物是如何繁殖的！我們知道，動物跟所有其他生物一樣，除了新陳代謝外，還需要繁殖后代。如果具有螺旋排列小孔的瘤狀球體是整個動物成體的話，那么它又是怎么“下”出跟自己身體大小相差不大的“蛋”的呢？目前為止，對這一問題還沒有答案。

毫無疑問，在古生物研究領(lǐng)域最重要的是化石證據(jù)。但我在這里想說的是，對地球上出現(xiàn)的最早期動物的研究，在沒有合適的參照物的情況下，想象力可能更為重要。動物和動物胚胎在6億年前的甕安磷礦地區(qū)客觀存在著，也不用懷疑它們是生“蛋”和被生的“母子”關(guān)系。也許，解決這一奇特動物的“繁殖”問題最終依靠的是智慧！