中科院之聲 - 生命演化故事補上新拼圖——「臨沂動物群」－鑽石舞台

對於過去，人類一直飽有天生的好奇和敬畏；對於生命，人類也從未停止探索的腳步。

在距今約5.3億年前，寒武紀生命大爆發，多細胞動物的多樣性出現了爆發式的增長，節肢、腕足、蠕形、海綿、脊索動物等一系列與現代動物形態基本相同的動物在地球上來了個「集體亮相」。比如當時的「海洋霸主」奇蝦；品種繁多有長着尖刺、有長着「兔耳朵」的三葉蟲等等。隨後，包括脊椎動物在內的幾乎所有動物門類（不同的門類代表了不同的形體構型）在2000萬年的時間內快速出現，前寒武紀寂靜的海洋瞬間變得熱鬧非凡。

耳形范特西蟲（Phantaspis auritus）復原圖（霍秀泉繪）

在不到地球歷史1%的時間裡，寒武紀生命大爆發誕生了地球上絕大多數動物門類，奠定了現今動物門類多樣性的框架。因此，寒武紀大爆發的相關問題一直是古生物學界研究的核心，而富含精美的多門類軟軀體化石的寒武紀特異埋藏化石庫則是了解這一重大生物演化事件的主要窗口。

為解開這個謎題，科學家在世界各地廣泛尋找、收集寒武紀生物化石。但寒武紀特異埋藏化石庫的時空分布不均勻。目前，大多數著名的寒武紀特異埋藏化石庫都集中分布在華南板塊和勞倫大陸（今北美大陸的主體），比如大家比較熟悉的布爾吉斯動物群在北美洲的加拿大發現，澄江動物群在我國的雲南發現；而2019年在宜昌發現的清江生物群，與澄江動物群也都同屬於華南板塊。因而，客觀條件在很大程度上制約了我們對寒武紀演化動物群面貌和格局的全面認識。

澄江動物群復原圖（楊定華繪）

在寒武紀時期，地球大陸的板塊並不是我們現在看到的樣子，我國的華北板塊與長江流域的揚子地台和華南地區的華南褶皺區處於分離狀態。作為中國傳統「中寒武統」的標準地區，華北板塊的寒武紀中期地層序列完整、化石豐富，是尋找該時期特異埋藏化石庫的潛力股。為此，科研人員將目光投向華北板塊，並在這一地區展開了大量野外工作。因為從理論上來說，華北板塊是不應該錯過寒武紀生命大爆發的。

我們知道軟軀體動物極易分解腐化，很難保存為化石，只有在特定條件下才能形成化石。此前科學家在華北地區也採集過大量寒武紀化石，多數都是保存在硬質的碳酸岩中，化石也大多為三葉蟲的骨片，而對泥岩的採集鮮有涉足。

經過對軟軀體化石保存條件的深入研究，中國科學院南京地質古生物研究所寒武紀大爆發研究團隊在山東省臨沂市西郊地區開展了綜合研究工作，並就代表性層位和剖面進行了集中採集，並且加強對該地區細膩泥岩的挖掘，收集到了數千枚精美的化石標本。

科考人員在臨沂地區野外工作照片，從左到右：曾晗、唐永剛、孫智新、趙方臣

與其他經典的布爾吉斯頁岩型特異埋藏化石庫一樣，臨沂特異埋藏化石庫中的軟軀體結構以碳膜的形式保存在背景層與事件層交互出現的地層中，證實了類似的埋藏學路徑在軟軀體化石保存中具有普遍性。研究人員在寺口剖面的寒武系張夏組盤車溝段下部黑色與黃綠色頁岩中發現大量軟軀體化石。根據其中的三葉蟲，確定特異埋藏化石庫的時代為距今約5.04億年寒武紀苗嶺世鼓山期的早期，稍微晚於布爾吉斯頁岩生物群。

這是在華北地區首次發現寒武紀特異埋藏化石庫，研究人員將其命名為「臨沂動物群」。這一發現讓我們對5億年前發生在華北板塊上的生命演化故事，有了更多能夠去拓展的認識，也為研究地球生命演化打開了一扇新的窗口，補上了一塊新的拼圖。研究成果發表於《國家科學評論》。

臨沂生物群復原圖（楊定華繪）

「臨沂動物群」中的化石大部分都以軟軀體形式保存，並且很多精細的解剖結構也都被完整保存下來，如附肢、眼睛、消化系統和剛毛等，為我們充分了解因而生物解剖結構給提供了機會。目前，研究人員在「臨沂動物群」中已發現超過35個化石類群，極大地豐富了我們對這一時期海洋生物與群落多樣性面貌的認知。其中組合中多樣性最高的類群是非三葉蟲節肢動物，其中又以奇蝦類和莫里森蟲類最為引人注目。除節肢動物以外，多樣的海綿動物和蠕蟲狀動物也值得進一步深入研究。

臨沂動物群中的代表性類群。A. 刺迷音蟲；B. 對稱莫里森蟲；C. 群體的對角海綿；D. 唐氏迷音蟲；E. 線紋心蝦的口器；F, 標準長清蟲；G, 未定的蠕蟲狀動物；H. 線紋心蝦的前附肢；I. 抱怪蟲類的前附肢

事實上，當時華北板塊中臨沂所在的位置，大概位於華南和加拿大中間，是茫茫大洋中的一塊孤島，而華南板塊遠在數千公里之外。我們知道澄江動物群代表了寒武紀生命大爆發的高峰期，生命演化是有連續性的，在此之後，生命是如何演化？呈現什麼規律？又與奧陶紀生命大輻射如何銜接？

解開上述重重謎團就需要「中寒武統」的華北板塊「接力」跑下去。此次在華北板塊發現的『臨沂動物群』正好接上了澄江動物群，進而可以探索研究兩者之間的相關性。並且，「臨沂動物群」還與同期的北美特異埋藏化石庫之間存在許多相同的生物類型，比如迷音蟲和莫里森蟲等一些珍稀節肢動物，這暗示了華北與北美軟軀體動物群在這一時期的密切聯繫。通過聚類分析、非度量性多維標度變換和網絡分析等定量分析手段，表明華北可能充當着東岡瓦納與北美之間的生物地理紐帶。不過，由於來自不同角度的古地理證據尚存在差異，這種聯繫的生物地理解釋還需要進一步的研究評估。