这块化石为何不简单？

本文转自：人民日报

　　不久前，全球顶级学术期刊《科学》杂志公布了2024年度十大科学突破评选结果，中国科学院南京地质古生物研究所（以下简称“南京古生物所”）朱茂炎团队发现迄今最古老的多细胞真核生物化石这一重要成果入选。

　　真核生物的多细胞化是生命向复杂化和大型化演化的必备条件，被认为是生命演化史上的重大关键创新事件之一。最古老的多细胞真核生物化石是如何被发现的？它的发现有何重要意义？科学家为我们一一解答。

　　天津蓟县（现蓟州区）中上元古界国家自然保护区。

　　河北省宽城县翁家庄剖面串岭沟组中发现的“壮丽青山藻”化石。

　　河北省唐山市迁西县高于庄组中发现的宏体碳质膜化石。

　　研究团队合影。

　　以上图片均为中国科学院南京地质古生物研究所提供

　　“这块化石不简单”

　　在数十亿年的地球生命演化历史中，真核生物的出现与繁盛有着至关重要的意义。至此，生命摆脱了简单的形态，细胞拥有了“遗传和代谢调控中心”的细胞核以及“能量工厂”线粒体，为今天复杂生命形态的演变奠定了基础。

　　现在的地球上，包括人类在内的动物、陆生植物、真菌和宏体藻类等，都是复杂生命，也都是多细胞真核生物。

　　“多细胞化是真核生物获得生物复杂性和大尺寸的关键，通常被认为是地球生命演化上的重大创新。”南京古生物所研究员朱茂炎说。

　　那么，真核生物最早何时发生多细胞化？截至目前，学界对这一重大科学问题并无明确答案。

　　已知的化石证据表明，简单的微体多细胞真核生物，包括红藻、绿藻和真菌化石等，在距今10亿年左右的地层中已经出现，并在距今6亿年前后开始多样化和大型化。

　　会不会比这个时间更早呢？带着这个疑问，朱茂炎带领团队开始了探索之旅。

　　契机出现在2012年。那一年，朱茂炎前往天津蓟县（现为天津蓟州区）进行野外考察，其间在同行朱士兴家里的一次做客，让他有了意外收获。

　　“朱老师在中国地质调查局天津地质调查中心从事研究工作，经常去燕山山脉地区采集化石。”朱茂炎回忆说，“当时，在他家沙发旁边就摆了五六个托盘的化石。我打眼一看，里面有一块化石非常大，长有30厘米左右，形态类似海带。”

　　朱茂炎立即敏锐意识到，“这块化石不简单。”

　　朱士兴解释，这是他1997年在河北迁西和宽城地区进行野外地质调查工作时，在距今15.6亿年的“蓟县系”高于庄组（岩石地层名称，属中元古代地层）中发现的宏体碳质膜化石。

　　这个重要线索，让朱茂炎团队决定，将考察研究的地域范围进一步锁定在高于庄组所处的燕山山脉地区。

　　“这个‘更早’会是什么时候？”

　　燕山山脉是中国北方重要山脉之一。对于地质古生物学来说，燕山山脉有着非凡的意义。20世纪30年代初，地质学家高振西等人在燕山山脉长城脚下的天津蓟县，建立了我国北方“震旦系”标准剖面。近百年来，经过几代地质学家的研究，发现了很多早期生命化石，其时代厘定也越来越精准。

　　朱茂炎说：“那里的岩石为距今18亿年到13亿年的前寒武纪沉积地层，近万米厚，是全球开展地球早期地质历史和生命演化的最好、最经典的地区之一。”

　　瞄准这一区域，朱茂炎团队联合朱士兴等国内外同行展开了深入的考察和发掘。2013年开始，他们合作对燕山地区高于庄组发现的一批距今15.6亿年的宏体生物化石进行了研究。从外观来看，这批化石已经“长得很大”，宽达8厘米，不完整的化石长度可达30厘米。科研人员判定它们为最早的宏体多细胞真核生物化石，研究成果于2016年发表。

　　这一结果引起学界的广泛关注，不仅将地球上大型多细胞真核生物的出现时间从之前认为的6亿年前向前推了将近10亿年，并由此推断真核生物发生多细胞化的时间应该更早。

　　“出现这么大的宏体化石，说明在此前还可能会有相对简单的微体多细胞生物（肉眼不可见）演化阶段。”朱茂炎说。

　　“这个‘更早’会是什么时候？”

　　为了验证这一推断，在燕山地区早于16亿年的古元古代晚期“长城系”地层中，朱茂炎团队继续寻找“更早”期多细胞真核化石存在的蛛丝马迹。

　　由于长城系地层中的化石多为肉眼看不见的微体化石，必须借助显微镜才能看清楚细节，而且这些化石被深深包埋在富含黏土的页片状岩石内，所以科研人员必须将采集的样本带回实验室进行分析研究。

　　苗兰云博士是朱茂炎团队开展燕山地区研究的主力成员。自2016年研究生阶段开始，她就将寻找最早的多细胞真核化石记录作为主要研究课题。8年来，苗兰云和团队成员一直往返于河北采集地与南京实验室之间。

　　化石实在太小，但哪怕是50克的岩石样本，经过提取处理也能制成几十个薄片，放到显微镜下，科研人员几天都看不完。

　　“很长一段时间，我都没有出任何成果。”苗兰云坦言，这一度让她感到十分焦虑。但因为对地球早期生命演化研究的热爱，她仍然选择继续坚持。

　　功夫不负有心人。2021年初的一个夜晚，苗兰云第一次在显微镜下观察到了多细胞结构，而且非常清晰。这令她异常兴奋。

　　最终，苗兰云从采集的几百件样品中，发现了278枚保存精美细胞结构的微体多细胞真核生物化石标本，这些标本均来自河北省宽城县翁家庄剖面串岭沟组中上部地层。

　　“我们还要继续往下追！”

　　找到的化石，是不是最早的多细胞真核生物？

　　显微镜下的观察显示，这200余枚化石是由巨型细胞组成的，且细胞形态复杂。

　　为了确认化石的具体身份，科研人员开展了进一步的研究分析。他们发现，这些丝状体化石，与1989年在天津蓟县地区串岭沟组发现的“壮丽青山藻”很相似，可归入同一个属种。

　　朱茂炎说：“综合分析表明，‘壮丽青山藻’与一些现生绿藻的藻丝体形态、细胞大小变化和繁殖方式等最为接近。由此，我们认为‘壮丽青山藻’属于多细胞真核生物化石，且很可能是多细胞藻类，具备光合作用的代谢能力。”

　　此次发现的化石所在地层顶部有一层火山凝灰岩，前人曾通过锆石铀—铅同位素定年，结果为16.35亿年，这为新发现的化石提供了直接的年龄约束。因此，“壮丽青山藻”被认为是迄今全球发现最早的多细胞真核生物化石记录，距今16.3亿年。

　　这一最新发现，是继团队2016年发表燕山地区发现15.6亿年前全球最早的宏体多细胞真核生物化石的成果后，又一项重大突破，将多细胞真核生物出现的时间进一步提前了约7000万年。该成果发表在2024年1月25日出版的《科学进展》杂志上。

　　“我们还要继续往下追！”朱茂炎说，“目前只是找到了一些化石碎片，我们还不知道这些多细胞真核生物整体长什么样，它的多样性和生活环境如何，在生态位上处于什么位置等，还有很多疑问需要去研究、去解答。”（吴月辉）