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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.“寒武纪”是地质史上的一个年代,因英国的一座小山而得名,期间大约是五亿四千万年前至五亿一千万年前.它的名称并不含有特殊的意义,但它却是一个特殊的时代.
地球大约是在46亿年前诞生的.在地球诞生后的40亿年时间里,地球上的生命,包括植物和动物,几乎没留下任何实质性的痕迹.然而,在此后不超过500万至1000万年的这段短短的时间里,即大约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这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.
古三叶虫
1882年,达尔文在生命的最后一封信中谈到古三叶虫.在他看来像三叶虫这么复杂的动物突然地出现在寒武纪地层中,这是不可思议的.
三叶虫是生活在五亿多年前到两亿多年前的一种已经灭绝的原始节肢动物.它的形体扁宽,背面正中突起、背上有两道纵沟,把身体纵分为三叶形,因此而得名.
过去,寒武纪通常被称为“三叶虫的时代”,因为在寒武纪地层中保存有大量的比其他类群丰富的三叶虫化石,而在寒武纪地层中,不具矿化的软躯体动物化石从未被发现.
科学家从寒武纪之前的古老岩层中发现了一些单细胞生物的化石残骸,但它们都在不久以后销声匿迹了.这就好像在生命的史书上划了一条分界线,之前不过是热身运动,之后到了寒武纪真正的进化才开始.
一切都突然开始了,生命的形式不知为什么突然就变得多姿多彩,生机盎然,这一突发性生命创新事件通常称为“寒武纪生命大爆发”.正是在这一时期,生命选择了其基本的形式,以后也再没有什么大的改变.当科学家们检索寒武纪时代的化石所记载的历史时,到处可见的是难解的谜和进化过程中的空白阶段.当新的生命形式在化石记录中出现时,人们找不到与之相对的原种,而当它们突然消亡时,又没留下什么显而易见的进化体.
“为什么我们没有发现成千上万的过渡类型化石埋藏于地壳中呢?” 达尔文痛苦地意识到,地层断层中确实缺少此类化石的存在.这一事实一直困扰着达尔文,以至于他在书中用了一整章来讨论“地质记录的不完整”.
布尔吉斯动物群的发现
1909年8月,美国地质调查所所长维尔卡特带领全家到加拿大落基山脉的布尔吉斯山去野外地质旅行.回程的路上,一块石头绊倒了他夫人的坐骑,维尔卡特捡起这块作怪的石头,奇迹出现了,一块保存有软体动物的化石显现在维尔卡特面前.
后来,经过大规模的发掘、采集后,布尔吉斯动物群给当时科学界造成极大震撼.它使科学家第一次清楚地认识到,在寒武纪海洋中具有骨骼化的动物仅仅占少数,绝大多数是不易保存的软躯体动物门类,纠正了人们对寒武纪仅存有三叶虫等少数硬体动物的错误认识.
化石记录了五亿一千五百万年前寒武纪中期无脊椎动物惊人的丰富,被科学界视为生命起源和早期演化的重要依据,为破解寒武纪生命大爆发之迷提供了重要线索.
由于地质保存上的缺陷,布尔吉斯动物群化石没有立体的层面,很多的动物形态只能依靠推测.
1981年,加拿大布尔吉斯动物群被联合国教科文组织批准为“世界文化遗产遗址”,成为全世界古生物学者关注的圣地.
寒武纪生命大爆发的代表——云南澄江动物群
在昆明东南方50多公里的地方有一座小城.境内有著名的抚仙湖,湖水清澈纯净,可直接饮用,小城也由此而得名澄江.但是,谁也料想不到一本破解地球生命的天书,就埋藏在澄江这座不起眼的帽天山下.对古生物学家侯先光教授而言,1984年他在澄江帽天山的那次重大发现,至今还使他无法平静.
在澄江帽天山的半山腰有一座外形奇特的建筑,这是中科院南京古生物所的野外工作站.它由中国著名建筑师齐康设计,其设计灵感来自在帽天山上发现的一种寒武纪生物--灰姑娘虫.
1984年7月,南京地质古生物研究所侯先光研究员在云南澄江县帽天山发现了第一块早寒武纪动物化石长尾纳罗虫.这次发现可以说是很偶然的事件,侯先光原来的意图是到澄江来寻找金碧虫的化石,没想到无心插柳,意外获得了这块长尾纳罗虫的化石.
那年6月,侯先光在导师张文堂的指导下,赴云南为硕士研究生论文搜集古介形类化石.
1984年7月1日,下午3点钟左右,侯先光在一大堆石块中随手拿起一块,一锤下去——一个栩栩如生的虫体出现了.这是一条寒武纪早期的无脊椎动物,属于知名的古生物学家维尔卡特于1909年在加拿大发现的布尔吉斯动物群的一个重要成员.国外科学家认为纳罗虫是最早出现的硬体生命之一,在亚洲大陆还是首次发现,而且还保存有附肢.这一发现意味着,寒武纪生命大爆发的证据就在脚下.后来,这一天成了澄江动物化石群的纪念日.世界著名古生物学家、德国的塞拉赫教授称：“澄江动物群的发现就像是来自天外的信息一样让人震惊.”美国《纽约时报》称：“中国澄江动物群的发现,是本世纪最惊人的发现之一”.
侯先光带着这一重大成果返回南京,写出了发掘报告,并与导师张文堂教授撰写了研究澄江动物化石的论文《纳罗虫在亚洲大陆的发现》,师生俩在文章中把澄江发现的古生物正式命名为“澄江动物化石群”.从此揭开了而后二十年让世人不断惊讶的序幕.
一系列的野外发掘和研究工作由此开始.不断的发现和探索,将五亿三千万年前的生命世界展现了出来.
消息传出后,一批批国内外地质学家和古生物学者蜂涌而至,一批又一批形态各异的化石被挖掘出来,人们从未见过保存得如此完整的生物化石：不仅保存了生物的骨骼,还保存了表皮、纤毛、眼睛、肠胃、消化道、口腔、神经等各种软组织.其中,水母状化石的触手、辐管、环肌、中央腔和口部构造清晰可见,蠕虫化石的体环、吻部构造、消化道和尾刺完整无缺,腕足动物化石则显示出从外壳向外伸出的粗壮的肉茎.以或卷曲或斜躺或平直姿势埋藏的纳罗虫化石,完好地保存着它们的软躯体构造,甚至连肠道中充满的食物也清晰可见,显示着其在临死之前还曾经饱餐一顿.具有网状骨片的微网虫,即使活着时保持站立的姿势就已经很不容易,有的竟然可以在死后仍然保持立姿.这些化石是世界其他地方难得一见的带软躯体构造的化石.5亿年前生物的软躯体构造居然能成为化石陈存在岩层中,这是澄江化石最为独特之处.
专家从澄江古生物化石群发现,现今世界上所有的动物的门都在这一时期同时出现,而且之后再没有产生新的门.这一时期出现的生命的形状同今天的生物已很相近,从星形对称的海星到左右对称的甲壳纲动物,以及具备脊椎雏形的动物等.在云南省澄江县发现的动物化石中,即使不包括现在已经绝灭了的门,所发现的动物的门仍多达20个,而现在地球上热闹非凡的上千万种生物总共才35个门.这说明,在寒武纪早期,动物多样性的基本体系就已经建立了.
1989年,真正的完整的微网虫化石在帽天山出现,令科学家大跌眼镜.原来,困惑了古生物学界几十年的这些骨片,就长在一个蠕虫一样的生物体内,身体两旁.
微网虫是绝灭了的多腿缓步类动物.身体长4到6厘米,头短而小,尾长.其腹部两侧具有成对的腿,不善行走,用带爪的腿攀附在其它生物体上,是澄江动物群的珍稀化石.
陈均远教授发现的微网虫使得带网孔骨片的化石在分类学上的定位问题得到了解决.美国哈佛大学的古尔德教授撰文写道：因为微网虫完整化石的发现和研究,使得人类科学的历史又向前跨越了一步.
澄江动物化石群的又一重大贡献,就是发现了完整的奇虾化石,证实了早寒武纪即存在肉食动物. “奇虾”并非真正的虾,它是寒武纪海洋里最大最凶猛的食肉动物.1992年帽天山北坡修筑公路,推土机推出了一个巨大的断面,最完整的奇虾化石终于显形了.
奇虾的第一块化石早在1892年发现于加拿大.其实这只是奇虾的一个前肢,当时却被错误地认为是某种虾状动物的身体,但令人困惑的是,总找不见虾头.直到在澄江帽天山发掘出三块最完整的奇虾化石,才使古生物学上长达一个世纪的误解终于被澄清.原来,布尔吉斯发现的“奇虾”只是一种大型食肉动物的一只“手”而已.在过去的100多年间,科学家们一直认为奇虾是无腿的大怪物,而澄江出土的奇虾化石腹部都有粗壮成对的腿.
奇虾是巨型肉食动物,头背部有一对茎状眼,口腔前侧有一对强壮的用于捕捉猎物的巨形前肢.根据其化石碎片推测,这类动物体长可达2米以上,它的嘴直径可达25厘米,而当时动物的平均大小却只有几毫米到几厘米.相比之下,奇虾是所向无敌的巨无霸了.后来,日本科学家根据化石复原模型和研究成果做出了奇虾的模型.我们看到,科学家模拟出来的这种动物,有长长的触角和胡须,像虾一样的壳和尾翼,软软的身体下部有一个方形的口,用来过滤海水,获得食物.
奇虾的出现,标志着在寒武纪初期,海洋的生态系统已经有了相当完整的金字塔式的食物链系统,而奇虾就是位于这个金字塔顶端的生物.
1991年,候先光教授在帽天山发现了一种蠕虫状动物化石,命名为“云南虫”.当初,由于某些特征难于解释,它被放在分类位置不定的蠕形动物.四年后,南京地质古生物研究所陈均远教授在英国《自然》杂志上首次提出云南虫属最古老的脊索动物,拉开了它们神秘的面纱. 而西北大学舒德干教授,由相同的线索,引出了不同的结论.“它已经超出了非脊索动物的范围.但是,我觉得因为它没有肌节,没有真正的脊索,也就是说不具备真正脊索动物的两个基本特征.” 半索动物的论证遭到陈均远的驳斥,他极力支持云南虫是脊索动物. 争论往往是发现的契机.1999年4月,陈均远教授等在昆明海口耳材村的山坡上发现了云南虫的近亲“海口虫”,把澄江动物群的研究推向了高潮. 海口虫向世人提供了一幅清晰的大爆发早期的、不容置疑的脊索动物的快照. 同年11月,西北大学舒德干教授等又在昆明海口地区发现了保存极为完善的“昆明鱼”化石,再次引发科学界的大震憾. 澄江动物群的“海口虫”、“昆明鱼”等珍奇化石的发现,使古生物学界形成了共识.在前寒武纪末期至寒武纪初期,地球上确实发生了一次生物门类大创新事件,而且,现今的动物界无脊椎动物和脊椎动物两大类都参与了这次大爆发事件.
在这些动物化石研究中,最令人激动的是被命名为“云南虫”的一种动物,它是最古老的脊索动物,它的发现和研究,将包括人类在内的脊椎动物的历史向前推进了1000多万年.地质时代中生代的脊索动物恐龙,地质时代新生代的脊索动物哺乳类动物以及后来的人类,它们的共同祖先是"云南虫".
根据科学家推断,“云南虫”当时为了获得在海中游泳的能力,在各体节内发展了肌肉,利用肌肉收缩来使身体呈现波浪运动.它的体内有一条贯穿前后的软管,作为椎骨,还有一对很小的侧折,后来演化成哺乳类的四肢,以及我们人类的臂和腿
2002年1月15日,云南省古生物学家罗惠麟、陈良忠、胡世学在昆明地区早寒武世澄江动物群化石中发现了海口华夏鱼、中新鱼两种新物种化石,此发现填补了从头索动物进化到脊椎动物的空白,一个寒武纪生命大爆发的壮观图景、一个生命演化的完整链条已经清晰地展现在人们面前.图为最新发现的中新鱼化石,从这块古老的化石上,能清晰地分辨出“鱼”的头部及背鳍、嘴和眼睛等器官.其实,这条化石“鱼”属原口动物纲,是最原始的软体脊椎动物.
化石记录显示，大量不同的崭新物种在一段不长的时期内突然涌现，古生物学家称之为“寒武纪生命大爆发”。毫无生物的无生物沉淀层之上是寒武纪岩层；从这个层岩开始，突然发现了种类繁多的大量甲壳类动物和贝壳生物化石，而且都是已经发育齐全的。木干的植物化石在中期古生代突然出现。在岩层低处已有树木化石，但大量发现却在较后的时代。在上层古生代岩层中有大量昆虫化石，它们都已发育完全，而且种类繁多；但它们却没有在较早的岩层中出现。在早期的新生代岩层则突然出现近代形式的哺乳动物化石；绝没有任何记录表明它们是从较早形式的生物进化而来的。
哈佛大学的艾尔弗雷德·罗默（Alfred Romer）教授说:“我们可以合理地说，一般的情形是与认为在寒武纪的起头有一场特别创造的主张一致的。”既然从寒武纪开始即有大量化石出现，这些化石有将背椎类动物的起源显示出来吗？没有。高舒密特（Goldschmidt）在《进化的物质基础》一书中说：“关于实际品种的起源，事实未能提出任何资料，较高的族类则不用说了。”（165页）
这样，在所谓的寒武纪开始的时候，化石纪录急转直下。《生命一观》这本书描写道：“由寒武纪初期起计约1000万年间，无脊椎动物各大族的残骸首次出现，这是地球历史上骤然多样化最壮观的景象。”
这一次生命的激增与先前的生物之间有没有化石连系呢？在达尔文当年并没有这样的连系。他承认道：“如果有人问，寒武系以前的假定原始时期，为什么没有留下蕴藏丰富化石的沉积物？我不能提出满意的答案。”《物种起源, 第二部分》, 90页
今天情形有没有改变呢？古生物学家艾尔弗雷德·罗默（Alfred Romer）注意到达尔文所说“有一群群物种出现得很突兀”这句话，他写道：“在［寒武纪］地层下，有一层非常厚的沉积物。照推断，当中应该有寒武纪生物的祖先才对，但我们根本找不到什么。这些更古老的土层差不多完全没有生命的迹象。根据这一点，我们大致可以说，寒武纪开始的时候，发生过一次特意的创造。”《博物学》，467页
有些人辩称，前寒武纪的岩石因为热度和压力而发生太大的改变，以致不能保存化石环节。又有人说，任何岩石都不是在浅水里沉积的，所以不能保存化石。进化论者萨尔瓦多·卢里亚、史蒂文·杰伊·古尔德和萨姆·辛格说：“这两个论点都不能够成立。”他们补充说：“地质学家已经发现了很多未经改变的前寒武纪沉积物，而其中并没有复杂有机体的化石。”《A View of Life》, 651页
甚至达尔文在许久之前也抱怨化石记录的空白。事实上，他说这件事实乃是反对他的学说的有力理由。可是他声称化石记录经历到变迁，残缺不全，而且多种生物没有留下化石，特别以没有坚硬部分的生物为然。今日不少进化论学家仍然依靠同样的借口。
但事实真相是，许多未经变迁的岩层仍然存在。其中有不少‘柔软部分’的化石，包括皮肤、蠕虫、水母和羽毛在内。同时，为什么化石记录充满了“发展完备的”生物，但“在进化中”的生物化石却空空如也呢？
生物化学家高尔（D. B. Gower）在英国肯特郡《时报》发表评论说：“化石的历史与创世记吻合。在最远古的岩石里，我们并没有找到一系列的化石可以显示，由最原始的生物到高度发展的生物之间有逐渐演变的过程。相反地，在最远古的岩石里，高度发展的物种是遽然出现的。物种和物种之间，完全没有任何中间化石可言。”
动物学家哈罗德·科芬（Harold Coffin）下结论说：“如果由简至繁、逐步进化的过程正确的话，那么应该可以发现寒武系发展完满的生物的祖先才对。可是的确发现不到，而且科学家承认以后发现到的机会也甚微。单是根据事实，根据地底下实际的发现来看，最符合证据的理论就是：各大类生物是经过突然的创造之举而确立起来的。”《自由, “进化论还是创造?”》, 12页
J.H.哥尔纳（J. H. Corner），剑桥大学的生物学家和进化论者，说：“我仍然认为，在没有偏见的人看来，植物的化石记录是支持特别创造论的。”（《当代生物学思想》，97页）在《物理公报》中，立普生（Lipson）教授勉强承认说：“我们必须更进一步，承认唯一可接纳的解释便是创造。”
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