当前位置: 华文星空 > 知识

生命为什么会在寒武纪突然发生大爆炸呢?

2016-01-07知识

首先,纠正一下问题,绝大部分科学家们都将其说成 是寒武纪生命大爆发,而不是寒武纪生命大爆炸 。大爆炸有一种悲剧性的色彩,似乎暗喻着生命的终结,而大爆发则指事件的突发性和力度。

其次,这个问题现在依然很令人困惑,科学界也没有确定的答案,不过提出了很多种不同的理论来解释它。

下面,我将简要介绍「寒武纪生命大爆发」这个问题的由来和发展,这样可能能够帮你更好的理解这个问题。

一、达尔文的疑惑

19世纪的地质学家们在研究地层的时候就发现了一个奇怪的现象:在寒武纪及以后各时代的地层中能够轻易找到各种 动物化石 ,但是在寒武纪之前的地层中却怎么也找不到这些 动物化石 了。当时他们将其归结为地层的缺失,也就是说,他们认为包含有动物早期演化化石的地层可能由于某种原因缺失了,因此才找不到这些化石。

这个问题也被达尔文写进了他的【物种起源】的第十章中:

二、寒武纪生命大爆发

从达尔文时代一直到20世纪中叶,大部分地质学家们和古生物学家们一直都相信在寒武纪突然出现各种各样的动物化石,是因为前寒武纪的地层缺失了,或者是那些前寒武纪的化石压根就没有保存或发现。

1948年,著名的美国古生物学家Cloud提出了另一个新的观点,他认为并不存在所谓的地层缺失事件,寒武纪地层中动物化石的突然出现就反映了生物演化的情况:这些动物是突然、快速地从某种生物那里演化出来,并很快在寒武纪中占据了主导地位的。为了表明这种演化的快速性和突然性,他采用了「eruptive evolution」这个词,这也是寒武纪生命大爆发这个概念的雏形。1979年,英国古生物学家Brasier在文章中使用了寒武纪生命大爆发(Cambrian explosion)这个词,很快这个词就被传播开来。

所以,在早期的时候,科学家们认为寒武纪生命大爆发的指的是寒武纪时期开始,动物的突然出现和物种数量激增。这个也是目前很大部分普通人对「寒武纪生命大爆发」的理解。

不过还有很多人望文生义的认为在寒武纪时期之前并不存在生命,生命是从寒武纪时期突然出现的。当然这是错的,大爆发并不等于起源,生命早在30多亿年前就已经出现了。

随着时间的推移,不断有更多早于寒武纪的化石被发现,科学家们梳理出了一个 大致的动物演化顺序

在距今6~5.8亿年前,动物就已经出现了。这些最古老的动物发现于我国贵州的瓮安生物群中,其中有迄今为止最古老的动物—贵州始杯海绵,以及大量的疑似动物胚胎的微体化石,但是这些生物的个头都极为微小。

贵州始杯海绵 图/新华社
最早的动物胚胎化石显微结构图[1]

到了大约5.75~5.45亿年前,几乎全世界各地都出现了一些个头较大的奇怪生物,这些生物的化石最早发现于澳大利亚的埃迪卡拉山中,因此被命名为埃迪卡拉生物群。这些生物看着个头很大,曾经一度被认为是寒武纪时期一直到现代的生物的祖先,但是后来科学家们发现它们都是软躯体生物,没有动物所具有的运动、进食和消化器官,尽管它们看上去像是多细胞动物,但是实际上却并不是动物,而且也与现代生物都没有任何演化的关系,所以被科学家们称为是生物演化史上的一次尝试。

埃迪卡拉生物群,它们是动物快速演化之前另一种生物的失败演化 图/网络

在埃迪卡拉生物群出现并兴盛的时候,那些个头微小的原始动物们并没有停止演化。到了大约5.45亿年前,出现了一些具有原始骨骼的动物,它们利用钙、磷等矿物颗粒在体外建造了一些外壳,而且体型也变得更大了一点,变成了管状生物,这些生物中的许多发现于我国陕西,被称为高家山生物群,它们是最早的具有骨骼的动物。

高家山生物群中的管状外骨骼

从5.41亿年前,全世界各地的海洋中如雨后春笋一般开始出现大批长着外骨骼,形似贝壳的小型生物,这些生物被笼统的称为小壳动物——小壳动物的出现意味着寒武纪生命大爆发开始了。为什么这么说呢?因为实际上,小壳动物并不是单独的某一类动物,而是多种动物,其中包括了腕足动物、软体动物、环节动物、介质动物、软舌螺、刺胞动物、海绵动物等等,它们很快在寒武纪演化开来,变成多种多样的生命类型,并最终成为现代生物的始祖。

考虑到6~5.41亿年前,并不属于寒武纪,而是属于前寒武纪,在那时候就已经出现了微体动物,动物们经历6000万年的演化后还长出了原始的骨骼,所以实际上到这时候寒武纪生命大爆发的含义就已经完全更新了, 寒武纪生命大爆发 ,并不是指从寒武纪动物才出现,而 是指动物们在经过前寒武纪漫长的演化后,从寒武纪开始,种类突然增加,以及分异度和复杂性迅速增加的过程。

三、寒武纪生命大爆发的原因

这是一个迄今为止众说纷纭的问题。大体来说分为两种理论,一种强调外部环境因素,一种强调动物本身。

强调外部环境因素的理论包括如下几点:

1.含氧量上升,由于前寒武纪到寒武纪期间氧气含量上升,不仅增强了动物的运动能力,也使得动物得以长出更大的体型,还使得大气臭氧层变得更浓密,隔离了紫外线,让更广大的海洋都适合生物生存。

2.海水中钙离子浓度上升说和磷酸盐分泌过程假说,都认为是寒武纪早期的海洋中钙离子或者是磷元素含量较高,这些元素促进了生物骨骼的形成。

3.雪球地球假说,认为7.2~5.41亿年期间,地球环境极度寒冷,多次被冰雪覆盖,形成雪球地球,生物们不得不依靠火山喷发口附近的温暖海水生活,这种极端环境的压力和地理隔离导致了生物们的快速演化。

强调内部环境因素的理论包括:

1.Hox基因假说,Hox基因被称为同源异形基因,它是生物体中一类专门调控生物形体的基因,一旦这些基因发生突变,就会使身体的一部分变形。不同动物们的Hox基因框架是一样的,其形态不同只不过是在适应环境的过程中Hox基因的某一段发生了变异而已。有部分人认为Hox基因从寒武纪之前的某个祖先演化了出来,然后因为环境的变化,其后代的Hox基因发生不同的变异,因此才使得寒武纪生命大爆发成为了可能;

2.神经系统假说,这认为动物们到了寒武纪,感觉系统和神经系统开始完善,其中脑部和视觉器官都发育完善了,这导致了动物们子寒武纪的大爆发;

3.捕食压力说,认为动物骨骼的出现可能与捕食活动所造成的环境压力密切相关,骨骼的出现不仅有助于自身的捕食活动,同时,外骨骼的出现可提高抵御被捕食的能力,矿化事件主要源于食草动物或食肉动物捕食作用诱导的选择压力所致;

4.生物矿化假说,认为大气氧含量的增加,使得大个体动物的有氧代谢成为可能,大的生物体需要矿化骨骼来支撑;

5.空的生态空间假说,认为寒武纪大爆发的发生在于当时具有大量没有生物占据的空的生态空间,使得寒武纪初期新出现的许多动物可以快速占领这些生态空间。

参考文献:

[1]戎嘉余主编.生物演化与环境[M].中国科学技术大学出版社: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).