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生命為什麽會在寒武紀突然發生大霹靂呢?

2016-01-07知識

首先,糾正一下問題,絕大部份科學家們都將其說成 是寒武紀生命大爆發,而不是寒武紀生命大霹靂 。大霹靂有一種悲劇性的色彩,似乎暗喻著生命的終結,而大爆發則指事件的突發性和力度。

其次,這個問題現在依然很令人困惑,科學界也沒有確定的答案,不過提出了很多種不同的理論來解釋它。

下面,我將簡要介紹「寒武紀生命大爆發」這個問題的由來和發展,這樣可能能夠幫你更好的理解這個問題。

一、達爾文的疑惑

19世紀的地質學家們在研究地層的時候就發現了一個奇怪的現象:在寒武紀及以後各時代的地層中能夠輕易找到各種 動物化石 ,但是在寒武紀之前的地層中卻怎麽也找不到這些 動物化石 了。當時他們將其歸結為地層的缺失,也就是說,他們認為包含有動物早期演化化石的地層可能由於某種原因缺失了,因此才找不到這些化石。

這個問題也被達爾文寫進了他的【物種起源】的第十章中:

二、寒武紀生命大爆發

從達爾文時代一直到20世紀中葉,大部份地質學家們和古生物學家們一直都相信在寒武紀突然出現各種各樣的動物化石,是因為前寒武紀的地層缺失了,或者是那些前寒武紀的化石壓根就沒有保存或發現。

1948年,著名的美國古生物學家Cloud提出了另一個新的觀點,他認為並不存在所謂的地層缺失事件,寒武紀地層中動物化石的突然出現就反映了生物演化的情況:這些動物是突然、快速地從某種生物那裏演化出來,並很快在寒武紀中占據了主導地位的。為了表明這種演化的快速性和突然性,他采用了「eruptive evolution」這個詞,這也是寒武紀生命大爆發這個概念的雛形。1979年,英國古生物學家Brasier在文章中使用了寒武紀生命大爆發(Cambrian explosion)這個詞,很快這個詞就被傳播開來。

所以,在早期的時候,科學家們認為寒武紀生命大爆發的指的是寒武紀時期開始,動物的突然出現和物種數量激增。這個也是目前很大部份普通人對「寒武紀生命大爆發」的理解。

不過還有很多人望文生義的認為在寒武紀時期之前並不存在生命,生命是從寒武紀時期突然出現的。當然這是錯的,大爆發並不等於起源,生命早在30多億年前就已經出現了。

隨著時間的推移,不斷有更多早於寒武紀的化石被發現,科學家們梳理出了一個 大致的動物演化順序

在距今6~5.8億年前,動物就已經出現了。這些最古老的動物發現於中國貴州的甕安生物群中,其中有迄今為止最古老的動物—貴州始杯海綿,以及大量的疑似動物胚胎的微體化石,但是這些生物的個頭都極為微小。

貴州始杯海綿 圖/新華社
最早的動物胚胎化石顯微結構圖[1]

到了大約5.75~5.45億年前,幾乎全世界各地都出現了一些個頭較大的奇怪生物,這些生物的化石最早發現於澳洲的艾迪卡拉山中,因此被命名為艾迪卡拉生物群。這些生物看著個頭很大,曾經一度被認為是寒武紀時期一直到現代的生物的祖先,但是後來科學家們發現它們都是軟軀體生物,沒有動物所具有的運動、進食和消化器官,盡管它們看上去像是多細胞動物,但是實際上卻並不是動物,而且也與現代生物都沒有任何演化的關系,所以被科學家們稱為是生物演化史上的一次嘗試。

艾迪卡拉生物群,它們是動物快速演化之前另一種生物的失敗演化 圖/網路

在艾迪卡拉生物群出現並興盛的時候,那些個頭微小的原始動物們並沒有停止演化。到了大約5.45億年前,出現了一些具有原始骨骼的動物,它們利用鈣、磷等礦物顆粒在體外建造了一些外殼,而且體型也變得更大了一點,變成了管狀生物,這些生物中的許多發現於中國陜西,被稱為高家山生物群,它們是最早的具有骨骼的動物。

高家山生物群中的管狀外骨骼

從5.41億年前,全世界各地的海洋中如雨後春筍一般開始出現大批長著外骨骼,形似貝殼的小型生物,這些生物被籠統的稱為小殼動物——小殼動物的出現意味著寒武紀生命大爆發開始了。為什麽這麽說呢?因為實際上,小殼動物並不是單獨的某一類動物,而是多種動物,其中包括了腕足動物、軟體動物、環節動物、介質動物、軟舌螺、刺胞動物、海綿動物等等,它們很快在寒武紀演化開來,變成多種多樣的生命型別,並最終成為現代生物的始祖。

考慮到6~5.41億年前,並不屬於寒武紀,而是屬於前寒武紀,在那時候就已經出現了微體動物,動物們經歷6000萬年的演化後還長出了原始的骨骼,所以實際上到這時候寒武紀生命大爆發的含義就已經完全更新了, 寒武紀生命大爆發 ,並不是指從寒武紀動物才出現,而 是指動物們在經過前寒武紀漫長的演化後,從寒武紀開始,種類突然增加,以及分異度和復雜性迅速增加的過程。

三、寒武紀生命大爆發的原因

這是一個迄今為止眾說紛紜的問題。大體來說分為兩種理論,一種強調外部環境因素,一種強調動物本身。

強調外部環境因素的理論包括如下幾點:

1.含氧量上升,由於前寒武紀到寒武紀期間氧氣含量上升,不僅增強了動物的運動能力,也使得動物得以長出更大的體型,還使得大氣臭氧層變得更濃密,隔離了紫外線,讓更廣大的海洋都適合生物生存。

2.海水中鈣離子濃度上升說和磷酸鹽分泌過程假說,都認為是寒武紀早期的海洋中鈣離子或者是磷元素含量較高,這些元素促進了生物骨骼的形成。

3.雪球地球假說,認為7.2~5.41億年期間,地球環境極度寒冷,多次被冰雪覆蓋,形成雪球地球,生物們不得不依靠火山噴發口附近的溫暖海水生活,這種極端環境的壓力和地理隔離導致了生物們的快速演化。

強調內部環境因素的理論包括:

1.Hox基因假說,Hox基因被稱為同源異形基因,它是生物體中一類專門調控生物形體的基因,一旦這些基因發生突變,就會使身體的一部份變形。不同動物們的Hox基因框架是一樣的,其形態不同只不過是在適應環境的過程中Hox基因的某一段發生了變異而已。有部份人認為Hox基因從寒武紀之前的某個祖先演化了出來,然後因為環境的變化,其後代的Hox基因發生不同的變異,因此才使得寒武紀生命大爆發成為了可能;

2.神經系統假說,這認為動物們到了寒武紀,感覺系統和神經系統開始完善,其中腦部和視覺器官都發育完善了,這導致了動物們子寒武紀的大爆發;

3.捕食壓力說,認為動物骨骼的出現可能與捕食活動所造成的環境壓力密切相關,骨骼的出現不僅有助於自身的捕食活動,同時,外骨骼的出現可提高抵禦被捕食的能力,礦化事件主要源於食草動物或食肉動物捕食作用誘導的選擇壓力所致;

4.生物礦化假說,認為大氣氧含量的增加,使得大個體動物的有氧代謝成為可能,大的生物體需要礦化骨骼來支撐;

5.空的生態空間假說,認為寒武紀大爆發的發生在於當時具有大量沒有生物占據的空的生態空間,使得寒武紀初期新出現的許多動物可以快速占領這些生態空間。

參考文獻:

[1]戎嘉余主編.生物演化與環境[M].中國科學技術大學出版社:合肥,2018:96-114.

[2]Zongjun Yin,Weichen Sun,Pengju Liu,Maoyan Zhu,Philip C. J. Donoghue. Developmental biology of Helicoforamina reveals holozoan affinity, cryptic diversity, and adaptation to heterogeneous environments in the early Ediacaran Weng’an biota (Doushantuo Formation, South China)[J]. Science Advances,2020,6(24).