記者從中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所獲悉，該所朱茂炎研究員帶領(lǐng)的“地球-生命系統(tǒng)早期演化”科研團(tuán)隊(duì)在華北燕山地區(qū)16.3億年前地層中發(fā)現(xiàn)多細(xì)胞真核生物化石。這些保存精美細(xì)胞結(jié)構(gòu)的微體化石被認(rèn)為是迄今全球發(fā)現(xiàn)最早的多細(xì)胞真核生物化石記錄。這是繼2016年在燕山地區(qū)發(fā)現(xiàn)15.6億年前全球最早的宏體多細(xì)胞真核生物化石之后，該團(tuán)隊(duì)在早期生命演化領(lǐng)域中的又一項(xiàng)重要突破，將多細(xì)胞真核生物出現(xiàn)的時(shí)間進(jìn)一步提前了7000萬(wàn)年。該成果1月24日在學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）發(fā)表。
當(dāng)今地球上我們熟知的所有復(fù)雜生命，包括形態(tài)各異的動(dòng)物、陸生植物、真菌和宏體藻類(lèi)都是多細(xì)胞真核生物，因此真核生物的多細(xì)胞化是生命向復(fù)雜化和大型化演化的必備條件，被認(rèn)為是生命演化史上的重大關(guān)鍵事件之一。然而，真核生物最早何時(shí)發(fā)生多細(xì)胞化？多細(xì)胞真核生物何時(shí)在地球上開(kāi)始出現(xiàn)？截至目前，學(xué)界對(duì)這一重大科學(xué)問(wèn)題并無(wú)明確的答案和證據(jù)。
已知化石證據(jù)表明，簡(jiǎn)單的微體多細(xì)胞真核生物在距今10億年左右的地層中已經(jīng)出現(xiàn)，并開(kāi)始多樣化，包括紅藻、綠藻和真菌化石等。而在更古老地層中曾經(jīng)報(bào)道過(guò)的“多細(xì)胞真核化石”，因缺乏可靠的生物學(xué)證據(jù)（如多細(xì)胞結(jié)構(gòu)和復(fù)雜形態(tài)），它們的多細(xì)胞特征和真核生物屬性均存在很大的不確定性，受到普遍懷疑。
2016年，朱茂炎團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心研究員朱士興等國(guó)內(nèi)外同行，在《自然通訊》（Nature Communications）上報(bào)道了燕山地區(qū)15.6億年前的宏體多細(xì)胞真核生物化石的發(fā)現(xiàn)（Zhu et al., 2016）。這一發(fā)現(xiàn)突破了學(xué)界以往的認(rèn)知，不僅將地球上大型多細(xì)胞真核生物的出現(xiàn)時(shí)間從以前認(rèn)為的6億年前提前了將近10億年，并由此推斷真核生物發(fā)生多細(xì)胞化的時(shí)間應(yīng)該更早。
為了論證這一推斷，團(tuán)隊(duì)成員苗蘭云自在燕山地區(qū)早于16億年前的古元古代晚期“長(zhǎng)城系”地層中尋找多細(xì)胞真核化石。在長(zhǎng)達(dá)近8年的時(shí)間內(nèi)，對(duì)燕山地區(qū)多個(gè)剖面點(diǎn)上采集了數(shù)百件長(zhǎng)城系頁(yè)巖樣品。通過(guò)氫氟酸和鹽酸等實(shí)驗(yàn)處理，獲得大量微體化石標(biāo)本。在發(fā)現(xiàn)大量多種類(lèi)型的單細(xì)胞真核生物化石的同時(shí)，終于在河北省寬城縣翁家莊剖面長(zhǎng)城系串嶺溝組上部，發(fā)現(xiàn)了微體多細(xì)胞真核生物化石。含本次報(bào)道化石的地層頂部曾報(bào)道有一層火山凝灰?guī)r，其中的鋯石鈾-鉛同位素定年結(jié)果為16.35億年，為新發(fā)現(xiàn)的化石提供了直接的年齡約束。
串嶺溝組中發(fā)現(xiàn)的壯麗青山藻�；４鏋橛袡C(jī)質(zhì)壁構(gòu)成的多細(xì)胞絲狀體，顯示細(xì)胞大小和形態(tài)的變化引起的絲狀體形態(tài)變化。
含有孢子結(jié)構(gòu)的壯麗青山藻，比例尺對(duì)于A, C, D和F代表50微米。
這批發(fā)現(xiàn)的化石標(biāo)本一共278枚，它們是由單列細(xì)胞組成的無(wú)分枝的絲狀體，絲狀體直徑20-194微米不等，最長(zhǎng)可達(dá)860微米，無(wú)外鞘。因保存不完整，完整的絲狀體長(zhǎng)度未知。雖然絲狀體整體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但卻表現(xiàn)出一定的復(fù)雜性，主要體現(xiàn)在形態(tài)上的變化。有些絲狀體直徑保持不變，細(xì)胞呈短柱狀至長(zhǎng)柱狀；有些絲狀體整體向一端均勻收縮，細(xì)胞呈柱狀、桶狀或杯狀；而有的絲狀體僅一端變細(xì)，其余部分直徑不變。
通過(guò)測(cè)量可以表征絲狀體形態(tài)變化的2個(gè)比值（即單個(gè)絲狀體中細(xì)胞的直徑和長(zhǎng)度上的變化）和絲狀體直徑大小分布頻率。結(jié)果顯示不同類(lèi)型的多細(xì)胞絲狀體在形態(tài)上呈現(xiàn)連續(xù)過(guò)渡變化的特征，表明它們屬于同一個(gè)物種。由于與前人在燕山中部天津薊縣地區(qū)串嶺溝組頁(yè)巖切片中報(bào)道的“壯麗青山藻”（Qingshania magnifica Yan, 1989）化石形態(tài)和大小相似，本次研究將其歸入同一個(gè)屬種。
當(dāng)初的研究者將這些化石解釋為原始綠藻，或許因?yàn)榛瘓D片不清晰，生物學(xué)解釋的證據(jù)不夠充分，故自1989年報(bào)道以來(lái)并未引起國(guó)內(nèi)外同行的關(guān)注。此次研究中一個(gè)重要的新發(fā)現(xiàn)是，壯麗青山藻的部分細(xì)胞內(nèi)含有直徑約15-20微米大小的圓形結(jié)構(gòu)，位于細(xì)胞的中間或接近橫向細(xì)胞壁的位置。圓形結(jié)構(gòu)形態(tài)完整規(guī)則，質(zhì)地均勻，大小和形態(tài)上可與現(xiàn)生的某些真核藻類(lèi)的無(wú)性孢子類(lèi)比，被解釋為一種繁殖細(xì)胞。由此可見(jiàn)，壯麗青山藻是一種通過(guò)孢子繁殖的生物。根據(jù)部分絲狀體向一端變細(xì)或變粗的特征，可以推測(cè)壯麗青山藻可能為營(yíng)底棲固著的生活方式，雖然目前還沒(méi)有見(jiàn)到固著器結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)生生物中，由單列細(xì)胞組成的絲狀體生物種類(lèi)繁多，在原核（細(xì)菌和古菌）和真核生物中都廣泛存在。綜合比較絲狀體形態(tài)的復(fù)雜度、細(xì)胞大小和繁殖方式，原核生物中并沒(méi)有可以與壯麗青山藻相對(duì)比的類(lèi)型。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前已知的原核絲狀體至少分布于12個(gè)門(mén)類(lèi)147個(gè)屬中，但它們絕大多數(shù)個(gè)體很小，直徑多在1-3微米，僅個(gè)別巨型藍(lán)細(xì)菌和硫細(xì)菌直徑能夠達(dá)200微米，與壯麗青山藻的直徑相似。但這些巨型細(xì)菌的細(xì)胞全部為圓盤(pán)狀，沒(méi)有任何形態(tài)復(fù)雜性。而真核生物中類(lèi)似壯麗青山藻的絲狀體生物則很多，例如異養(yǎng)的絲狀真菌和絲狀卵菌，特別是大多數(shù)真核藻類(lèi)都含絲狀體，如褐藻、黃藻、綠藻、紅藻、輪藻、共球藻等。因此，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為壯麗青山藻為多細(xì)胞真核生物化石。綜合分析表明，一些現(xiàn)生綠藻的藻絲體形態(tài)、細(xì)胞大小分布和繁殖方式等與壯麗青山藻最為接近。由此，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為壯麗青山藻不僅是多細(xì)胞真核生物，且很可能屬于多細(xì)胞藻類(lèi)，具有光合作用的代謝能力，盡管目前無(wú)法將其歸屬到具體現(xiàn)生門(mén)類(lèi)中去。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證壯麗青山藻的真核生物屬性，研究團(tuán)隊(duì)采用激光拉曼光譜儀對(duì)壯麗青山藻的有機(jī)質(zhì)成分進(jìn)行了譜學(xué)分析，并用同層位產(chǎn)出的3種藍(lán)細(xì)菌化石作為對(duì)比組。所有分析化石的拉曼光譜特征表明，化石有機(jī)質(zhì)成分是無(wú)序碳質(zhì)物質(zhì)。根據(jù)拉曼地質(zhì)溫度計(jì)估算出的最大埋藏溫度為205-250 ℃，表明化石經(jīng)歷了低級(jí)變質(zhì)作用，排除了現(xiàn)代生物污染的可能性。拉曼光譜的主成分分析（PCA）結(jié)果顯示，壯麗青山藻的有機(jī)質(zhì)組成明顯不同于藍(lán)細(xì)菌化石，為其歸屬為多細(xì)胞真核生物的解釋提供了支持。
目前學(xué)界普遍接受的真核生物最早化石記錄發(fā)現(xiàn)于我國(guó)華北和澳大利亞北部距今約16.5億年之前的古元古代晚期地層中。壯麗青山藻的出現(xiàn)時(shí)間僅僅稍晚于這些最古老的單細(xì)胞真核化石，表明真核生物出現(xiàn)之后便迅速發(fā)生了復(fù)雜的多細(xì)胞化演化。由于真核藻類(lèi)（泛色素體植物）屬于冠群真核生物（現(xiàn)代真核生物）的一個(gè)支系，如果壯麗青山藻可以確認(rèn)為是營(yíng)光合作用的真核藻類(lèi)，那么真核生物最后共同祖先應(yīng)不晚于16.3億年之前的古元古代晚期，比當(dāng)前學(xué)界普遍接受的時(shí)間提前了近6億年之久，且與分子鐘推算的時(shí)間基本吻合，為進(jìn)一步揭示復(fù)雜生命的起源和早期演化過(guò)程的奧秘以及元古宙地球環(huán)境演變提供了新的思考。
真核生物譜系發(fā)生樹(shù)簡(jiǎn)化圖和真核生物早期重要化石記錄。真核生物樹(shù)中，虛線表示干群真核生物，實(shí)線表示冠群真核生物（真核生物最后共同祖先LECA及其所有后裔）。分歧點(diǎn)上的淺灰色條帶表示分子鐘估算的分歧時(shí)間，右圖顯示真核生物各類(lèi)群最早的化石記錄。
（總臺(tái)央視記者 帥俊全 褚爾嘉）
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