海绵是生活在水中的生物，它们没有头，没有肌肉，没有神经，也没有任何其他器官，但却属于动物。如此简单的动物是如何在地球上生存下来的？更令人惊讶的是，它们竟然曾被认为是我们人类的远古祖先。海绵通过一种特殊的细胞——领细胞，来过滤水中的细菌等微生物、有机物颗粒为食。这些领细胞的形态与一种称为“领鞭毛虫”的单细胞生物非常相似，以至于100多年前就有人提出，动物的祖先可能是一种类似海绵胚胎的领鞭毛虫聚合体。而最早的动物，可能就是这种聚合体的升级版：海绵。尽管近年来这种理论受到了一些质疑，但它仍然是解释动物起源的重要理论之一。因此，深入研究海绵的演化历史，或许能帮助我们揭开动物起源的神秘面纱。
↑ 图1 现代深海六放海绵(图片源自NOAA Ocean Exploration)。
然而，尽管海绵是最原始、低等的动物之一，但在寒武纪之前的地层中，科学家们却从未发现过确切的、毫无争议的海绵化石。这让人们不禁疑惑：难道海绵真的不存在于前寒武纪晚期这个时代吗？答案显然是否定的。因为在埃迪卡拉纪（距今约6.35-5.39亿年），已经出现了大量比海绵更复杂的动物留下的痕迹，如遗迹化石和动物实体化石。此外，根据分子生物学的推测，海绵动物应当起源于距今8-7亿年前。而且，在前寒武纪的地层里，还发现了海绵的生物标志化合物，即分子化石，尽管这些分子化石的来源仍存在争议。
↑ 图2 形态各异的海绵骨针，大小从0.01 mm 到 1 mm不等(图片源自Van Soest et al, 2015, PLOS ONE)。
那么，为什么早期的海绵会神秘消失在化石记录中呢？这可能与海绵的一种特殊结构有关：骨针。虽然人们印象中的海绵是软绵绵的洗浴用品，但实际上大部分天然海绵都有“刺”，即矿化的骨针。这些骨针为海绵的身体提供了支持，并起到了防御的作用。或许前寒武纪的环境不适合海绵骨针的保存：它们在变为化石之前就被溶解了；又或者早期的海绵并没有矿化的骨针，因此难以被保存，即使偶然保存下来也难以从化石记录中识别出来。
↑ 图3 螺旋网格海绵的模式标本 比例尺为5cm
直到最近在我国的湖北省宜昌地区，中国科学院南京地质古生物研究所袁训来研究员领导的早期生命研究国际合作团队有了一个突破性的发现：距今约5.5亿年的埃迪卡拉纪石板滩生物群中的海绵化石——螺旋网格海绵。该项成果于6月27日正式发表于国际著名综合性学术期刊《自然》(Nature)。
↑ 图4 螺旋网格海绵的网格结构
比例尺分别为10 mm (a)、5 mm (b)、2 mm (c)、1 mm (d)
螺旋网格海绵这种生物有着圆锥形的身体。其底部通过一个圆盘牢牢地固定在海底，身体中央还有一个空腔，甚至还可能有出水孔，这些特征都与现代海绵如出一辙。
更神奇的是，螺旋网格海绵的表面由规则的方格组成，这些方格可以细分为四个形态相同的次级方格，次级方格还可以进一步细分为更加微小的方格。
↑ 图5 康托尔尘埃集示意图
这样不断分割的网格结构让人联想到康托尔尘埃集，它是人们最早认识的具有自相似特征的分形结构之一，因此我们以康托尔作为螺旋网格海绵的种加词（Helicolocellus cantori），以纪念这位描述康托尔集的数学家。
↑ 图6 古生代海绵中的网格状结构
A、B为Protospongiid类海绵——Diagoniella，产自河南的寒武系馒头组; 图 C-E为美国纽约州泥盆系Chemung组六射海绵Hydnoceras。比例尺分别为1 mm (A、B);40 mm (C);20 mm (D);10 mm (E)。
康托尔尘埃集这样的分形结构在生物体之中十分罕见，仅在螺旋网格海绵和一些古生代的六放海绵上发现过。这两者的形态和结构非常相似，唯一的区别在于螺旋网格海绵的网格是由有机质组成的，而在古生代六放海绵化石上，则是由矿化的骨针组成网格。因此，螺旋网格海绵化石可能代表了一种没有骨针的早期海绵动物。
↑ 图7 螺旋网格海绵在动物演化树上的位置
为了进一步检验这一解释，研究构建了一个包含各种现生动物和动物化石的形态数据矩阵，并进行了严格的系统发育分析。结果显示，螺旋网格海绵化石与同具有网格结构的古生代海绵构成一个支系，并且与六放海绵亲缘关系接近，因此螺旋网格海绵化石代表了前寒武纪此前从未发现过的冠群海绵。
螺旋网格海绵的发现填补了对海绵动物乃至整个动物演化史认识的空缺。
↑ 图8 螺旋网格海绵的复原图(杨定华绘)
首先，螺旋网格海绵证实了前寒武纪确实存在海绵动物，而且它们很可能没有矿化骨针。早期的海绵可能存在一个以有机质构建身体骨架的阶段，直到进入寒武纪以后才获得生物矿化的能力，把矿物添加到已有的有机质骨架之上，形成复合的矿化骨针组成的骨架。因此我们应不再以寻找矿化骨针作为鉴定早期海绵化石的唯一标准，重新审视前寒武纪的化石记录，有很大机会识别出更多的早期海绵化石。
↑ 图9 其他螺旋网格海绵化石标本
比例尺为5 cm
其次，螺旋网格海绵的发现还连接了埃迪卡拉生物群和寒武纪生物群。前寒武纪-寒武纪界线前后的生物群落面貌曾被认为是天差地别。前寒武纪末期的埃迪卡拉纪，是形态奇异且亲缘关系未知的埃迪卡拉生物群主宰的时代；而跨入寒武纪，人们熟悉的各个现生动物门类接踵而出。螺旋网格海绵的发现，表明埃迪卡拉生物群也许和现生动物门类之间有某种直接的演化关系，为解释埃迪卡拉生物群的亲缘关系提供了证据。正如一位专家在审稿过程中所评论的：螺旋网格海绵可能是理解动物演化的“罗塞塔石碑”。
本次科普宣传与策划得到科技部国家重点研发计划青年科学家项目(2022YFF0802700)支持。
论文相关信息：
Xiaopeng Wang, Alexander G. Liu, Zhe Chen, Chengxi Wu, Yarong Liu, Bin Wan*, Ke Pang, Chuanming Zhou, Xunlai Yuan*, Shuhai Xiao*. 2024. A late Ediacaran crown-group sponge animal. Nature, 630: 905–911. https://doi.org/10.1038/s41586-024-07520-y.
来源：Early Life公众号
作者：王霄鹏（中国科学院南京地质古生物研究所）
编辑：诸鹏飞
审核：盛捷