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先有鸡还是先有蛋?6亿年前化石或给出答案

2019-12-05 科技日报 张晔
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笼脊球化石,a和b是裸露的标本,囊包已丢失,c和d是保存了囊包的标本,e和f是a和b的局部放大,显示细胞结构细节。

  对于动物究竟何时并如何起源,人们抱有天然的好奇心。究竟是先有鸡还是先有蛋,也始终是一个充满争议和趣味的话题。

  近日,中国科学院南京地质古生物研究所发布一项研究成果,该所副研究员殷宗军和研究员朱茂炎与英国布里斯托大学、瑞典自然历史博物馆以及瑞士光源的同行合作,在我国贵州瓮安生物群——一个距今6.1亿年的特异埋藏化石库中找到了一类名叫“笼脊球”的化石。

  通过对这种生物形态的研究观察,他们还原了原始“胚胎发育”的过程。“如果把动物比作一只鸡,那么这类化石就相当于记录了‘蛋生鸡’的过程。”殷宗军表示,笼脊球化石为回答这一问题提供了重要线索。该成果近日在线发表于《细胞》子刊《当代生物学》上。

  磷矿中找出细如沙粒的化石

  现代动物界包括三十多个动物门类,已有研究表明它们拥有一个距今大约7亿多年的共同祖先。这一共同祖先由多细胞组成,而且细胞有功能分化,它是由更古老的单细胞祖先演化而来。然而,动物单细胞祖先是何时以及如何演化成多细胞祖先的呢?这个问题一直没有确凿的答案。

  2000年前后,瓮安生物群成为国际学术界研究动物起源和早期发育的热点。

  贵州瓮安县以其丰富的磷矿资源被誉为“亚洲磷仓”。在古老的磷矿石中,埋藏着全球最古老的动物化石。科学家在瓮安县磷矿采区的埃迪卡拉纪地层中发现了大量动物化石(大约距今6.1亿年前),为研究动物起源和早期演化过程,提供了独一无二的实证记录。

  南京地质古生物研究所副研究员殷宗军所在的团队是国际上最早进入这个领域的课题组之一。

  通过仔细的挖掘采集,科学家在其中发现了一种细如沙粒的化石,直径不到1毫米,用肉眼很难发现。由于它“外貌”极其不规律且怪异,很多人怀疑它并不是化石,因此长期以来都被科学家所忽视。

  随着科技的进步,三维X射线显微镜等设备开始用于化石研究,使得科学家得以观察化石的内部结构。研究人员采用最先进的超高分辨率同步辐射三维无损成像技术,像医生给患者做CT扫描一样,重构了数百个笼脊球标本的立体结构。

  “化石在这两种岩石中的赋存形式均为磷酸盐化的三维立体标本,保存了精美的细胞-亚细胞结构。”殷宗军说,这些化石保存非常精美,甚至保留了受精卵的细胞分裂过程。

  “蛋生鸡”过程或揭开动物起源之谜

  通过10多年的收集和研究,殷宗军所在团队在贵州瓮安生物群,陆续发现了233块笼脊球化石标本。

  它们呈现了单细胞动物向多细胞动物过渡的各个形态,根据大数据集的分析,科学家找到了演变规律。从扫描效果图上,记者看到这类化石从内部呈现空心“笼”体,演变为“实心球”的各阶段“胚胎发育”过程。

  “我们重构了数百个笼脊球标本的立体结构,发现它们在一个充满母源营养物质的厚壁囊包中发育。”殷宗军说,笼脊球的发育过程非常类似动物的单细胞近亲(比如中生黏菌虫),但比动物的单细胞近亲更为复杂的是,它们在胚胎发育过程中出现了有规律的细胞迁移和重组。

  多细胞动物的出现是地球生命史上极为重要的里程碑事件。生物多细胞化后,才有了细胞的分化行为,分化的细胞最终会成为各种器官及组织。

  而笼脊球的细胞迁移和重组,与动物原肠胚的细胞迁移重组行为非常类似。原肠胚是动物胚胎发育的一个重要阶段,经过原肠胚阶段,分化的细胞才会产生器官和组织,最终才会成长为一个动物。

  这表明动物胚胎特有的发育机制在动物化石记录大量出现之前至少4千多万年就已经准备好了。因此,科研人员将笼脊球称为“干群动物”,即比最早的多细胞动物更早的动物。

  “要搞清楚动物如何演化,就得了解细胞分化的过程。笼脊球化石恰好记录了动物从单细胞祖先向多细胞祖先演化的关键一步,这一步为真正有细胞和组织分化的动物的出现奠定了生物学基础。”殷宗军说,更完整的演化过程有待更多化石证据的揭示。

  那么,到底是“先有鸡还是先有蛋”呢?

  殷宗军认为,如果将动物比喻成一只鸡的话,复杂的胚胎发育过程就是孵化出小鸡的蛋,它桥接了动物的单细胞祖先和动物多细胞祖先之间的鸿沟。而笼脊球化石的发现恰恰就表明,孵化出动物这只“小鸡”的“蛋”在6.1亿年前就已经出现了。

打印 责任编辑:侯茜

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