“拆盲盒”8年，中国科学家在长城脚下发现生命演化新秘密
研究人员推测真核生物最后共同祖先（LECA）应不晚于16.3亿年前，比当前学界普遍接受的时间提前了近6亿年之久。很多人都了解地球上漫长的生命演化史：在38亿年的时光中，生物从原核生物到真核生物，从单细胞真核生物到多细胞真核生物，逐步从简单生命演化成复杂生命。在现在的地球上，包括人类在内的动物、陆生植物、真菌和宏体藻类等，都是复杂生命，也都是多细胞真核生物。↑ 生命系统发生树（图片来源：维基百科）那么，多细胞真核生物是何时在地球上出现的呢？这可是生命演化史上的重大关键事件之一。之前的研究证明，这个时间是距今15.6亿年前。会不会更早呢？2024年1月25日，中国科学院南京地质古生物研究所朱茂炎研究员领导的“地球-生命系统早期演化”团队回答了这个问题。团队成员中国科学院南京地质古生物研究所博士苗兰云在华北燕山地区16.3亿年前地层中发现多细胞真核生物化石，这些保存精美细胞结构的微体化石被认为是迄今全球发现最早的多细胞真核生物化石记录。该科研成果发表在最新一期的《科学进展》（Science Advances）杂志上。“我找到的化石，是不是最早的多细胞真核生物？”这道证明题是怎么做的呢？长城脚下，藏着生命演化早期的秘密↑ 科研人员在燕山野外（图片来源：作者提供）燕山山脉是中国北方重要山脉之一，位于内蒙古坝上高原以南，河北平原以北，白河谷地以东，山海关以西，逶迤着中华民族的精神象征——长城。研究团队为什么要把目光锁定在这里？大家不了解的是，对于地质古生物学来说，燕山山脉有着更加非凡的意义。长城脚下，是一套被称为“长城系”和“蓟县系”的岩石，为距今18亿年到13亿年前的寒武纪沉积地层，近万米厚，是全球开展地球早期地质历史和生命演化的最好、最经典的地区之一，以天津蓟县（现称蓟州）地区为代表。1984年我国在天津蓟县成立第一个国家级自然保护区，2001年天津蓟县国家地质公园成立，这里记录着燕山的自然风光、文化古迹和独特的地质记录。↑ 蓟州区中上元古界地层剖面，记录着这里的地质演化史（图片来源：作者提供）20世纪30年代初，中国科学院院士高振西等人在长城脚下的天津蓟县建立我国北方“震旦系”标准剖面。近百年来，经过几代地质学家的研究，其时代厘定越来越精准。1997年，中国地质调查局天津地质调查中心朱士兴和黄学光在河北迁西和宽城地区进行野外地质调查工作过程中，在15.6亿年前的“蓟县系”高于庄组中发现了大型碳质膜化石，这是生物体被埋藏后在化石化的过程中被压扁保存为一层深色的碳质物质。↑ 高于庄组宏体碳质膜化石（图片来源：作者提供）2016年，朱茂炎团队与朱士兴等国内外学者一起，对这批标本开展了系统的研究，认为它们属于多细胞真核生物化石，距今15.6亿年。而且，这批多细胞真核化石已经“长得很大”，宽达8厘米，不完整的化石长度达30厘米。出现这么大的宏体化石，说明在这之前还会有相对简单的微体化石（就是肉眼看不见的那种）阶段。这一结果突破了学界以往的认知，不仅将地球上大型多细胞真核生物的出现时间从以前认为的6亿年前提前了将近10亿年，并由此推断真核生物发生多细胞化的时间应该更早。为了验证前人的这一推断，苗兰云自博士研究生阶段开始，就将在燕山地区早于16亿年的古元古代晚期“长城系”地层中寻找多细胞真核化石记录作为主要研究课题。八年积淀，每一次的实验都是“拆盲盒”由于长城系地层中的化石多为肉眼看不见的微体化石，必须要借助显微镜才能看清楚细节，而且这些化石被深深包埋在页岩里，所以科研人员要将采集的样本带回实验室，通过严格的微体化石酸提取实验，找到微体化石才能进行分析。8年来，苗兰云一直往返于南京与河北：在燕山脚下采集样品，再返回南京的实验室。↑ 采集岩石样品（图片来源：作者提供）之所以说是“拆盲盒”，是因为并不是所有页岩中都保存有微体化石，每次做微体化石酸提取实验的结果是无法预料的。“拆盲盒”的过程是：（1）首先用氢氟酸把页岩中的矿物都溶解掉，有机质（主要由碳和氢组成的有机物）不受氢氟酸影响因为能保留下来；（2）前一步过程中会产生CaF2，是絮状物质，使溶液看起来像牛奶一样浑浊。为去除CaF2，要在去除残余氢氟酸后，添加盐酸，然后通过水浴加热的方式去除絮状CaF2；（3）剩下溶液里主要是盐酸、水和有机质，再利用多换水的方式将溶液洗成中性，最后剩下就主要是水和有机质了。化石就是以有机质形成保存的，所以寻找微体化石，要在有机质中寻找。↑ 微体化石提取实验（图片来源：作者提供）↑ 化石显微形貌分析（图片来源：作者 提供）古生物版的“盲盒”大概这样的：↑ 经过酸提取处理的样品（图片来源：作者提供）教你辨认多细胞真核生物化石终于，苗兰云从采集的几百件样品中发现了278枚保存精美细胞结构的微体多细胞真核化石标本，这些标本均来自在河北省宽城县翁家庄剖面串岭沟组中上部地层。你也许会好奇，上面的样品看起来都差不多，怎么分辨出哪些是多细胞真核生物呢？下面我们结合图片来分析一下多细胞真核生物化石的特点。↑ 图1. 串岭沟组中发现的壮丽青山藻. 化石保存为有机质壁构成的多细胞丝状体，显示细胞大小的变化引起的丝状体形态变化. 丝状体直径向一端收缩（A-D, F-I, K），丝状体直径不变（J），保存有完整端部的丝状体（E, L）. 比例尺对于F-H和K代表100微米，其余的代表50微米（Miao et al., 2024b）↑ 图2. 含有孢子结构的壮丽青山藻. 比例尺对于A, C, D和F代表50微米（Miao et al., 2024b）第一个特点：细胞大。在显微镜下可以看出，这些化石是由巨型细胞组成的。它们是由单列细胞组成的无分枝的丝状体（图1和2），丝状体直径20-190微米不等，最长可达860微米，无外鞘。（注：原核生物细胞一般小于2微米；真核生物细胞一般2-100微米）第二个特点：形态显示一定的复杂性。这些化石有些丝状体直径保持不变，细胞呈短柱状至长柱状；有些丝状体整体向一端均匀收缩，细胞呈柱状、桶状或杯状；而有的丝状体仅一端变细（图1）。通过测量显示不同类型的多细胞丝状体在形态上呈现连续过渡变化的特征，研究人员发现这些多细胞丝状体化石属于同一个物种。这些化石的复杂性还体现在，一些化石中被发现有类似于现生繁殖细胞——孢子一样的圆形结构，这说明该化石实际上是一种通过孢子繁殖的生物。苗兰云通过文献调研发现，丝状体化石的形态和大小与1989年前人在天津蓟县地区串岭沟组发现的“壮丽青山藻”（Qingshania magnifica Yan, 1989）相似，所以这些拥有巨型细胞且细胞形态复杂的化石应该就是“壮丽青山藻”。拥有巨型细胞、形态复杂就一定是多细胞真核生物了吗？还需要做几道“筛选题”。符合这些条件，“壮丽青山藻”身份确定要确定这个化石的身份，还得把它跟现生的生物、同时期的生物做对比。1.与现生的生物对比在现生生物中，由单列细胞组成的丝状体生物种类非常繁多，在原核（细菌和古菌）和真核生物中都广泛存在。科研人员根据此次发现的化石拥有着巨型细胞且丝状体形态复杂这一特征，开始进行排除大法。科研人员先将壮丽青山藻与现生原核生物进行了对比。据统计，目前已知的原核丝状体至少分布于12个门类147个属中，综合比较丝状体形态的复杂度、细胞大小和繁殖方式，原核生物中并没有可以与壮丽青山藻相类似的类型。这些现生的原核丝状体大多个体很小，而个别较大的生物形态又比较简单。因此，排除壮丽青山藻是原核生物。而在现生真核生物中，类似壮丽青山藻的丝状体生物则很多，例如：异养的丝状真菌和丝状卵菌，特别是大多数真核藻类都含丝状体，如褐藻、黄藻、绿藻、红藻、轮藻、共球藻等。↑ 壮丽青山藻与异养的丝状真菌和丝状卵菌相似，特别是大多数真核藻类都含丝状体，如褐藻、黄藻、绿藻、红藻、轮藻、共球藻等（图片来源：作者提供）↑ 壮丽青山藻与一些现生绿藻对比接近（图片来源：作者提供）综合分析表明，壮丽青山藻与一些现生绿藻的藻丝体形态、细胞大小分布和繁殖方式等最为接近。因此，研究团队认为壮丽青山藻为多细胞真核生物化石，且很可能是多细胞藻类，具备光合作用的代谢能力，但是，目前无法将其归属到具体现生门类中去。2.借助高科技，对比“同龄人”为了进一步验证壮丽青山藻的真核生物属性，研究团队采用激光拉曼光谱仪对壮丽青山藻和同一个页岩样品中提取到的3种蓝细菌（多细胞原核生物）化石的有机质成分进行谱学对比分析。拉曼光谱特征表明，与同层位的多细胞原核生物相比，壮丽青山藻经历了低级变质作用（变质作用是指受温度、压力或其他因素影响使得原来的物质结构或成分遭到变化。对地质样品来说，经了漫长的地质作用，例如地温梯度和压力，它原始的物质结构和成分会逐渐发生变化），不可能是现代生物污染。而且化石的有机质组成明显不同于蓝细菌化石，进一步支持了多细胞真核生物属性的解释。真核生物的最后共同祖先起源时间可能提前本次发现的含化石地层的顶部有一层火山凝灰岩，前人曾通过锆石铀-铅同位素定年结果为16.35亿，这为新发现的化石提供了直接的年龄约束。因此，“壮丽青山藻”被认为是迄今全球发现最早的多细胞真核生物化石记录。距今16.3亿年前！根据以上“证明题”的论证过程，研究人员可以确定，壮丽青山藻是目前最早的具细胞结构的多细胞真核化石（距今16.3亿年前），且可能是已经灭绝了的真核藻类（具体亲缘关系未知）。由于，目前学界普遍接受的真核生物最早化石记录（单细胞真核生物化石）发现于我国华北和澳大利亚北部距今约16.5亿年的古元古代晚期地层中。壮丽青山藻的出现时间，仅稍晚于这些最古老的单细胞真核化石，表明真核生物出现之后便迅速发生了复杂的多细胞化演化。由于真核藻类（泛色素体植物）属于冠群真核生物（现代真核生物）的一个支系，如果壮丽青山藻可以确认为是营光合作用的真核藻类，那么真核生物最后共同祖先（LECA）应不晚于16.3亿年前，比当前学界普遍接受的时间提前了近6亿年之久。这为进一步揭示复杂生命的起源和早期演化过程的奥秘以及元古宙地球环境演变提供了新的思考。↑ 真核生物谱系发生树简化图和真核生物早期重要化石记录. 真核生物树中，虚线表示干群真核生物，实线表示冠群真核生物（真核生物最后共同祖先LECA及其所有后裔）. 分歧点上的浅灰色条带表示分子钟估算的分歧时间（Parfrey et al., 2011, PNAS）. 右图显示真核生物各类群最早的化石记录（据Miao et al., 2024b修改）哈佛大学Andrew Knoll教授和中国科学院深海科学与工程研究所屈原皋研究员参加了此项成果的研究。研究得到国家重点研发计划（2022YFF0800100）、国家自然科学基金（41888101, 41921002, 41972204）和中国科学院创新交叉团队（JCTD-2020-18）的联合资助。相关论文：[1]Miao, L., Moczydłowska, M.*, Zhu, S., Zhu, M.*, 2019. New record of organic-walled, morphologically distinct microfossils from the late Paleoproterozoic Changcheng Group in the Yanshan Range, North China. Precambrian Research, 321:172-198.[2]Miao, L., Yin, Z., Li, G., Zhu, M.*, 2024a. First report of Tappania and associated microfossils from the late Paleoproterozoic Chuanlinggou Formation of the Yanliao Basin, North China. Precambrian Research, 400:107268.[4]Miao, L., Yin, Z., Knoll, A.H., Qu, Y., Zhu, M.*, 2024b. 1.63-billion-year-old multicellular eukaryotes from the Chuanlinggou Formation in North China. Science Advances.[5]Zhu, S., Zhu, M.*, Knoll, A.H., Yin, Z., Zhao, F., Sun, S., Qu, Y., Shi, M., Liu, H., 2016. Decimetre-scale multicellular eukaryotes from the 1.56-billion-year-old Gaoyuzhuang Formation in North China. Nature Communications, 7:11500.来源：科学大院公众号作者：盛捷、苗兰云、朱茂炎、诸鹏飞编辑：诸鹏飞审核：盛捷
2024-01-27
