4.8億年前“海底建筑師”以磷酸鈣做骨

近日，中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所（以下簡(jiǎn)稱“南京古生物所”）早古生代研究團(tuán)隊(duì)等，在湖北省宜昌遠(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，將其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。

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，與珊瑚的生態(tài)地位和地理分布頗為類似。它們共同成為礁生態(tài)系統(tǒng)的“主力軍”。

然而，這些“海底建筑師”最早何時(shí)出現(xiàn)？它們?nèi)绾芜M(jìn)化出堅(jiān)硬的骨骼，如何成為礁生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，如何在全球范圍內(nèi)幾乎同時(shí)分布，并為礁生態(tài)系統(tǒng)作出貢獻(xiàn)？

論文第一作者、韓國(guó)高麗大學(xué)的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)拥慕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型晗蚬P者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(guó)傳說中嫘祖發(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‘嫘祖’命名。”

“時(shí)裝秀”上不走尋常路

在剛發(fā)現(xiàn)“嫘祖”化石時(shí)，全胄完花了很長(zhǎng)時(shí)間才理解它。此后，他在博士畢業(yè)前后與多位學(xué)者持續(xù)合作研究，獲得了一系列發(fā)現(xiàn)。

他們認(rèn)為，嫘祖冠毛層孔海綿通過氟磷灰石構(gòu)建骨骼，這在整個(gè)海綿類中是獨(dú)一無二的。

張?jiān)獎(jiǎng)颖硎荆骸熬拖駨N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構(gòu)建，要么是碳酸鈣，要么是硅。”

而“嫘祖”海綿選擇由一種主要成分為磷酸鈣的磷酸鹽礦物——氟磷灰石構(gòu)建骨骼，表明海綿動(dòng)物在奧陶紀(jì)早期就已具備使用硅、碳酸鈣、磷酸鈣這3種生物礦物質(zhì)建造骨骼的能力和機(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。

這一新發(fā)現(xiàn)突破了此前已知的兩種海綿骨骼材料：硅質(zhì)（如玻璃質(zhì)地）和碳酸鈣質(zhì)（如貝殼質(zhì)地），讓海綿成為首個(gè)掌握了“3種造骨技能”的動(dòng)物類群。

化石記錄前推約2000萬年

早期層孔海綿骨骼中磷酸鈣的存在，拓展了人類對(duì)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。