生命科學

小春蟲背後的演化秘密

中國貴州的化石顯示,複雜動物的出現比寒武紀大爆發要早了至少5000萬年!

撰文/巴其爾(David J. Bottjer)
翻譯/姚若潔

生命科學

小春蟲背後的演化秘密

中國貴州的化石顯示,複雜動物的出現比寒武紀大爆發要早了至少5000萬年!

撰文/巴其爾(David J. Bottjer)
翻譯/姚若潔


圖中的顯微攝影是保存得最好的小春蟲標本。兩側對稱動物的指標性特徵十分明顯:多胚層的身體,有一對體腔,一個口部及腸腔。


「這一車裡一定有兩側對稱動物。」當我們望著卡車在路的轉彎處消失時,陳均遠說了這麼一句話。陳均遠是南京中國科學院的古生物學家,他和當時任職於美國南加州大學的唐柏斯(Stephen Q. Dornbos)與我,剛剛才從中國貴州省6億到5億8000萬年前的沉積層中,採集了一卡車的黑色石頭。陳均遠非常肯定這些石頭中一定藏有重要的東西。


為了尋找地球上非常早期動物的微化石,我們在2002年來到貴州。說得更精確些,我們想要找的是兩側對稱動物。在地球生物的歷史中,兩側對稱(肢體與器官均呈鏡像對稱)代表了十分關鍵的一步。最早的多細胞動物並不是兩側對稱的,而是不對稱、無固定形狀的水生生物,例如海綿,牠們從自己製造的水流中攔截食物顆粒。稍微複雜一點的,則是輻射對稱的水生刺絲胞動物,牠們特化的刺絲胞可使獵物無法動彈。兩側對稱動物則構成了其餘所有的動物,從蟲子到人類,在生命週期的某個階段中,都會出現重要的左右對稱特徵,以及通常具有口、腸腔以及肛門的多胚層結構。


直到數年前,人們還認為,化石記錄中兩側對稱動物首次出現在地球上的時間,約在5億5500萬年前,儘管牠們絕大多數出現在稍晚的5億4200萬年前,也就是許多新形式的生命出現、所謂的「寒武紀大爆發」時。「大爆發」是如何啟動的?這是真有其事,或只是因為更早的動物很少留下可追蹤痕跡?這些問題都因為缺乏更早的化石而無法驗證。不過,過去幾年的研究(包括我們在貴州的研究)改變了這些長久以來的看法,複雜動物誕生的時間,比起寒武紀大爆發早了至少5000萬年。


分子時鐘與化石寶藏

分子分析技術中,特別是一種稱為「分子時鐘」的技術,在動物起源於何時的新想法中,佔有關鍵地位。假定演化上某些改變以穩定的速率發生,例如,在數百萬年間,基因上的DNA發生突變的節奏可能是固定的,那麼,不同生物間DNA的差異,便可以當做一種計時器,來測量兩支後代從共同祖先分道揚鑣的時間點。在那個時間點之後,後代繼續各走各的路,各自累積其特有的突變。


為了估計各個主要動物類群的起源時間,美國杜克大學的瑞伊(Gregory Wray)與同事使用了以脊椎動物為基礎的分子時鐘。他們的結果發表於1996年,其中推測,早在12億年前的前寒武紀,兩側對稱動物便已經從較原始的物種分支出來。


後來使用分子時鐘來估算分支時間的研究結果,差異都很大,可能早至10億年前,晚至寒武紀即將開始時。這樣的差異自然導致對分子時鐘的懷疑,達特茅斯大學的彼得森與同事便在他們最近的研究裡強調了某些問題。特別的是,他們使用從無脊椎動物推衍出的分子時鐘,速度比脊椎動物的分子時鐘要快得多。




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