寒武纪
寒武纪------三叶虫
寒武纪----海洋 无脊椎动物大发展
寒武纪是在地质时间上约为5 .05亿到 5 . 7亿年前古生代初期的一段地质时间。它可区分为三个时期:始寒武纪(5 . 4五亿到5 . 7亿年前)、中寒武纪(5 . 23亿至5 . 4亿年前)、以及后寒武纪(5 . 05亿5.23亿年前)。
寒武纪-演化
寒武纪对我们来说是十分遥远而陌生的,这个时期的地球大陆特征完全不同于今天。寒武纪常被称为“三叶虫的时代”,这是因为寒武纪岩石中保存有比其他类群丰富的矿化的三叶虫硬壳。当时出现了丰富多样且比较高级的海生无脊椎动物,保存了大量的化石,从而有可能研究当时生物界的状况,并能够利用生物地层学方法来划分和对比地层,进而研究有机界和无机界比较完整的发展历史。
寒武纪早期海洋地质横切图
地球开始爆发了全球性的加里东构造运动,地球各板块互相碰撞、挤压,火山喷发频繁,南、北大陆发生多次反复升降,许多地区重新又被海水所淹没。北方各大陆的相对位置较震旦纪时靠近,但互相并没有连接;南方冈瓦纳大陆逐渐连在一起,但并不是完全相连,且可能通过非洲与北方大陆相连通。寒武纪,最主要的特征是生物界的显著繁盛和化石的大量保存。早期,气候干旱,浅海分布广泛,门类众多的海洋无脊椎动物突然之间出现在地球上,这是生物史上的第一次大发展,被称为著名的“生命大爆发”事件。从此,地球上的生物开始了大发展时期,并且空前繁盛,海水里出现了许许多多种动物,如三叶虫、头足类、珊瑚等。
寒武纪-生命大爆发
被称为古生物学和地质学上的一大悬案──寒武纪生命大爆发,自达尔文以来就一直困扰着进化论等学术界。大约6亿年前,在地质学上称做寒武纪的开始,绝大多数无脊椎动物门在几百万年的很短时间内出现了。这种几乎是“同时”地、“突然”地出现在寒武纪地层中门类众多的无脊椎动物化石(节肢动物、软体动物、腕足动物和环节动物等),而在寒武纪之前更为古老的地层中长期以来却找不到动物化石的现象,被古生物学家称作“寒武纪生命大爆发”,简称“寒武爆发”。达尔文在其《物种起源》的著作中提到了这一事实,并大感迷惑。他认为这一事实会被用做反对其进化论的有力证据。但他同时解释到,寒武纪的动物一定是来自前寒武纪动物的祖先,是经过很长时间的进化过程产生的;寒武纪动物化石出现的“突然性”和前寒武纪动物化石的缺乏,是由于地质记录的不完全或是由于老地层淹没在海洋中的缘故。
浮游双瓣壳节肢动物
寒武纪生命大爆发的起源—埃迪卡拉动物群
埃迪卡拉(Ediacaran)动物群是Sprigg于1947年在澳大利亚中南部Ediacara地区的庞德砂岩层中首先发现的。最初人们未能确定这一动物群的时代,后来终于确定为前寒武纪,年龄为6.7亿年。埃迪卡拉动物群包含三个门,19个属,24种低等无脊椎动物。三个门是:腔肠动物门,环节动物门和节肢动物门。水母有7属9种;水螅纲有3属3种;海鳃目(珊瑚纲)有3属3种;钵水母2属2种;多毛类环虫2属5种;节肢动物2属2种。多保存为印痕化石,尽管它们的形态、结构都很原始,但它们被认为是20世纪古生物学最重大的发现之一。这一发现使科学界摈弃了长期以来认为在寒武纪之前不可能出现后生动物化石的传统观念。所谓后生动物即是指相对于原生动物的各种多细胞动物。
艾迪卡拉动物群包含了多种形态奇特的动物化石:身体巨大而扁平、多呈椭圆形或条带形,具有平滑的有机质膜,是人们迄今为止发现的最古老、最原始的化石,也是在寒武纪地层中发现的最有说服力的生物证据。按Seilacher的观点,艾迪卡拉动物群可分为辐射状生长、两极生长和单极生长3种类型。除辐射状生长的类型中可能有与腔肠动物有关系的类群外,其他两类与寒武纪以后出现的生物门类无亲缘关系。
尽管有关艾迪卡拉(型)动物群的性质还有许多争议,但其奇怪的形态令许多学者相信,艾迪卡拉(型)动物群是后生动物出现后的第一次适应辐射,它们采取的不同于现代大多数动物采取的形体结构变化方式。不增加内部结构的复杂性,只改变躯体的基本形态,变得非常薄,呈条带状或薄饼状,使体内各部分充分接近外表面,在没有内部器官的情况下进行呼吸和摄取营养。如现代大型寄生动物涤虫。现代大多数动物采取的是保持浑圆或球形的外部形态的同时,进化出复杂的内部器官来扩大相应的表面积(如肺、消化道),从化石上可以看出,这些生物已具有了高度分化的组织和器官,说明它们已不是最原始的类型。它们代表了后生动物出现以后的第一次辐射演化。因此,可以认为艾迪卡拉(型)动物群是在元古宙末期大气氧含量较低的条件下后生动物大规模占领浅海的一次尝试,结果失败了,而导致绝灭。在后来的演化过程中,后生动物采取了第二种方式,使内部的器官复杂化和物种多样化的发展,即生物系统演化。
奇特的海底景观和固著底栖生物群落
寒武纪生命大爆发的代表─云南澄江动物群
寒武爆发的典型代表是被称为20世纪最惊人的科学发现之一的中国云南澄江动物群,它是世界上目前所发现的最古老、保存最为完整的带壳后生动物群。该动物群是中国青年古生物学家侯先光1984年在云南澄江县帽天山首先发现的。这是一个内容十分丰富、保存非常完美,距今约5.7亿年的化石群,其成员包括水母状生物、三叶虫、具附肢的非三叶的节肢动物、金臂虫、蠕形动物、海绵动物、内肛动物、环节动物、无绞纲腕足动物、软舌螺类、开腔骨类,以及藻类等,甚至还有属于低等脊索动物或半索动物(如著名的云南虫)等。由于许多动物的软组织保存完好,为研究早期无脊椎动物的形态结构、生活方式、生态环境等提供了极好的材料,同时也成为了探索地球上大壳后生动物爆发事件的重要窗口。
寒武纪(约5亿年以前)早期水下生物景观图
寒武纪-生命大爆发原因探讨
寒武纪生物
寒武爆发吸引了无数的古生物学家和进化论者去寻找证据探讨其起因。100多年以来的证据产生出解释寒武爆发的两种基本观点。一种观点认为,寒武爆发是一种假象,这是某些达尔文或新达尔主义者所持的观点。由于进化是渐进的,所谓的“爆发”只是表明首次在生物化石记录中发现了早在前寒武纪就已经广泛存在并发展的生物,其它的生物化石群则可能由于地质记录的不完全而“缺档”,造成这种“缺档”的原因是前寒武纪地层经历着热与压力,其中的化石被销毁了。由于发现前寒武纪化石沉积层中存在大量像细菌和蓝藻这样简单的原核生物,因而这一解释不再有说服力。另一种观点认为,寒武爆发代表了生物进化过程中的真实事件,科学家从物理环境和生态环境的变化两个方面来解释这一现象。
1965年,两位美国物理学家提出了寒武爆发是由于地球大气的氧水平这个物理因素造成的。他们认为,在早期地球的大气中含有很少或根本就没有自由氧,氧是前寒武纪藻类植物光合作用的产物并逐渐积累形成的。后生动物需要大量的氧,一方面用于呼吸作用,另一方面氧还以臭氧的形式在大气中吸收大量有害的紫外线,使后生动物免于有害辐射的损伤。
生物学家则从生物本身的生态关系来探讨这一问题,因为地质学的证据否定了这种氧理论的观点。大约在距今10亿年至20亿年之间广泛沉积层中含有大量严重氧化的岩石,这说明在这一时期内已经存在足够生命爆发的氧条件。因而生物学家从两个重要事件的出现来探索造成寒武爆发的原因,即有性生殖的产生和生物收割者的出现。
从化石资料来看,真核藻类大约在9亿年前出现了有性生殖,实际上,有性生殖出现得更早。有性生殖的发生在整个生物界的进化过程中有着极其重大的作用,由于有性生殖提供了遗传变异性,从而有可能进一步增加了生物的多样性,这是造成寒武爆发的原因之一。
生物收割者假说是美国生态学家斯坦利提出的,是一种解释寒武爆发的生态学理论,即收割原则。斯坦利认为,在前寒武纪的25亿年的多数时间里,海洋是一个以原核蓝藻这样简单的初级生产者所组成的生态系统。这一系统内的群落在生态学上属于单一不变的群落,营养级也是简单唯一的。由于物理空间被这种种类少但数量大的生物群落顽强地占据着,所以这种群落的进化非常缓慢,从未有过丰富的多样性。寒武爆发的关键是草食收割者的出现和进化,即食用原核细胞(蓝藻)的原生动物的出现和进化。收割者为生产者有更大的多样性制造了空间,而这种生产者多样性的增加又导致了更特异的收割者的进化。营养级金字塔按两个方向迅速发展:较底层次的生产者增加了许多新物种,丰富了物种多样性,在顶端又增加了新的“收割者”,丰富了营养级的多样性。从而使得整个生态系统的生物多样性不断丰富,最终导致了寒武纪生命大爆发的产生。
对于“收割理论”科学家们目前还没有找到直接的证据来证明其正确性,然而,一些间接的证据支持了这一理论。间接证据之一来自于前寒武纪叠层石,这些由藻类组成的叠层石中保存了前寒武纪最丰富的生产者群落。今天,叠层石仅盛产于缺少后生动物收割者的贫瘠环境中,如超盐量的咸水湖中。藻类在前寒武纪地层中的大量存在,大概反映了当时收割者的贫乏。另外,生态学野外研究也提供了一些间接的证据,研究表明,在一个人工池塘中,放进捕食性鱼,会增加浮游生物的多样性;从多样的藻类群落中去掉海胆,会使某一藻类在该群落中占统治地位而多样性下降。
寒武爆发作为地史上的第二大悬案一直为人们所关注。随着化石的不断发现及新理论的建立,这一谜团最终将大白于天下。
寒武纪生物群
寒武纪-中国的贡献
中国科学家,通过澄江动物群化石的发现和研究,在世界上首次揭示了“寒武纪大爆发”的整体轮廓,证实几乎所有的动物祖先都曾经站在同一起跑线上。这项成果是“对达尔文进化论的重要发展”。
这项名为“澄江动物群与寒武纪大爆发”的科研项目获得2003年度国家自然科学奖一等奖,新中国成立以来也仅有28项成果获此殊荣。项目的共同完成人,来自中国科学院、云南大学和西北大学的科学家陈均远、侯先光和舒德干20日分享了这一荣誉。
侯先光
国家自然科学奖评审委员会这样评价此成果:澄江动物群是20世纪古生物学的伟大发现,为生物早期及其在寒武纪早期的“大爆发”问题提供了新的回答。对一些现存生物门类的早期演化进行了系统研究……是对达尔文进化论的重要发展,科学价值重大,在世界范围内影响深远。
云南澄江寻找寒武纪气息
“寒武纪大爆发”是一个令达尔文都感到困惑的问题,在人们普遍认同达尔文进化论的今天,全面揭示并合理解释“寒武纪大爆发”的真实面貌、探索众多动物门类起源的难题仍然摆在人们面前,现在也没有任何一个动物门或亚门的起源得到公认性的解决,它们都在等待生物学信息丰富的早期化石记录提供直接证据。澄江动物群正是一个探索源头奥秘的最佳科学窗口。
“根据寒武纪开始时痕迹化石和小壳化石的突然多样性和复杂性,‘寒武纪大爆发’的理论在澄江动物群发现之前就已提出,但对‘寒武纪大爆发’所产生的动物及动物群落结构特征所知甚微。”,“而澄江动物群的地质时代正处于‘寒武纪大爆发’时期,它让我们如实看到5.3亿年前动物群的真实面貌,各种各样的动物在‘寒武纪大爆发’时期迅速起源,现在生活在地球上的各个动物门类几乎都已出现,而不是经过长时间的演化慢慢变来的。”
澄江动物群的发现和研究引起国际社会的强烈关注。一位英国皇家科学院院士认为澄江动物群“永远是科学的大厦”; 《纽约时报》则评论这是“20世纪最惊人的发现之一”。
寒武纪-前寒武纪
寒武纪的开始,标志着地球进入了生物大繁荣的新阶段。而在寒武纪之前,地球早已经形成了,只是在几十亿年的漫长过程中一片死寂,那时地球上还没有出现门类众多的生物。这样,科学家们便把寒武纪之前这一段漫长而缺少生命的时间称作前寒武纪。前寒武纪约占全部地史时间的六分之五,根据有关生命活动迹象的宝贵资料,也是为了研究上的便利,地质学家把漫长的前寒武纪分为太古代、元古代两部分。
太古代之前(地球形成之初-38亿年前)则有多种不同的称呼。太古代离我们久远,其时限约从38亿年至26亿年前,长达12亿年。太古代是具有明确地史记录的最初阶段。在这漫长的12亿年间,是地球形成后的初始期,地表到处形成童山和荒漠,由于年代久远,确实很难寻觅到化石,人们对这一时期的生命活动了解得很少。但20世纪后半期,科学家们陆续在南非和澳大利亚获得了重大收获,在变质程度不太剧烈的沉积岩层中发现了叠层石,这是微生物和藻类活动的产物。此外,人们在这些古老的岩层中还分析出大量的有机化合物(如苯、烃基苯等)和环形化合物(如呋喃、甲醇、乙醛等)。在南非的一套古老沉积岩中,科学家们借助先进的精密观测仪器,发现了200多个与原核藻类非常相似的古细胞化石,这些微体化石一般为椭圆形,具有平滑的有机质膜,这是人们迄今为止发现的最古老、最原始的化石,也是在太古代地层中发现的最有说服力的生物证据。从生物界看,这是原始生命出现及生物演化的初级阶段,当时只有数量不多的原核生物,他们只留下了极少的化石记录。从非生物界看,太古宙是一个地壳薄、地热梯度陡、火山—岩浆活动强烈而频繁、岩层普遍遭受变形与变质、大气圈与水圈都缺少自由氧、形成一系列特殊沉积物的时期;也是一个硅 铝质地壳形成并不断增长的时期,又是一个重要的成矿时期。
元古代的时限自26亿年前至5.7亿年,在这段地史中,原核生物演化为真核细胞生物,形成地史时期的菌-藻类时代。人们在这一时期的古老地层中发现过微古植物化石、宏观藻类化石及叠层石。仅在我们中国,古生物学家就已发现元古代不同时期的微古植物化石80余属、近200个种,生命在元古代得到进一步繁荣,那时的地球已不再是满目荒芜了。初期地表已出现了一些范围较广、厚度较大、相对稳定的大陆板块。因此,在岩石圈构造方面元古代比太古代显示了较为稳定的特点。早元古代晚期的大气圈已含有自由氧,而且随着植物的日益繁盛与光合作用的不断加强,大气圈的含氧量继续增加。元古代的中晚期藻类植物已十分繁盛,明显区别于太古代。
前寒武纪地质
寒武纪-发现过程
帽天山看去完全是个平淡无奇的小山包,像一顶圆帽戴在那里。来往的行人谁也不会向这个普通的黄色土堆多看一眼。科学家们来到这里却很兴奋。
但在漫长的沉寂之后,云南澄江县的这片貌不惊人的山包,如今被古生物学家视为一块圣地,一个地球生命史上的惊人秘密逐渐被解开:在距今5.3亿年前,这里的浅海上演了一个重大无比的事件———生命经历了一次革命性的大规模演化,绝大部分仅次于“界”以下的最大生物分类单位———“门”一级动物突然之间出现在地球上。“嘣”地一下,沉寂了40亿年的地球突然间热闹起来。这颗蓝色的星球终于有了生动的色彩。
“一瞬间”(这个过程实际上是200万年左右,但相对于35亿年的地球生物史,200万年,就好像是一天中的l分钟),众多从未在地球上露过面的动物一下子出现在海洋里,古生物学界甚至用“爆发”来形容这种突然性;它们的形态各异,从只有几毫米的微型动物,到长达2米、长着带柄巨眼和恐怖粗爪的大型怪物,几乎涵盖了所有的现有动物门类,也就是说,如今地球上所有一切天上飞的、地下跑的、海里游的动物的祖先,差不多都在那个时代出现了。包括人类在内的很多多细胞动物很可能就是从这里起跑,开始了各自的演化历史。
在今天昆明的附近地区,从东到西,包括马龙、澄江、长虫山、岷山、海口、武定2000多平方公里的广大地域上,都分布有出露地表的寒武纪沉积页岩。目前科学家所触及的还主要是群山中的一隅———帽天山。
现在地球上热闹非凡的上千万种生物归纳起来总共才35个门,而在澄江化石中已经发现了20多个门一级系统(还不包括一些现在已经绝灭了的门一级动物),而且还在不断发现新的动物门。这说明了一个关键性问题,在寒武纪早期,动物多样性的基本体制就已经建立了。
