在距今約5.3億年前，一個被稱為寒武紀(jì)的地質(zhì)歷史時(shí)期，地球生物界發(fā)生了翻天覆地的變化：在2000萬年的時(shí)間內(nèi)，地球上突然涌現(xiàn)出各種各樣的動物，它們不約而同地迅速起源、同時(shí)出現(xiàn)。

這就是著名的寒武紀(jì)生命大爆發(fā)。這些動物為何會在短時(shí)間內(nèi)大量出現(xiàn)，至今仍被國際學(xué)術(shù)界列為“十大科學(xué)難題”之一。

為了解開這個難題，科學(xué)家在世界各地廣泛收集寒武紀(jì)生物化石。但奇怪的是，寒武紀(jì)特異埋藏化石庫的時(shí)間和空間分布并不均勻，大多數(shù)著名的寒武紀(jì)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)。

前不久，《國家科學(xué)評論》在線發(fā)表了中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所的一項(xiàng)最新成果，科研人員在華北地區(qū)首次發(fā)現(xiàn)距今約5.04億年的寒武紀(jì)特異埋藏化石庫，并將其命名為“臨沂動物群”。這一發(fā)現(xiàn)讓我們對5億年前發(fā)生在華北板塊上的生命演化故事，有了更為清晰的認(rèn)識，也為研究地球生命演化打開了一扇新的窗口，補(bǔ)上了一塊新的拼圖。

寒武紀(jì)生命大爆發(fā)的未解之謎

對于過去，人類總有一種天生的好奇和敬畏;對于生命，人類也還有很多未知等待探索。

地球上所有的生命形式可以分成7大類：動物、真菌、原生動物、植物、古菌、細(xì)菌和病毒。其中，動物是從寒武紀(jì)開始集中、大量出現(xiàn)的。

中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所寒武紀(jì)大爆發(fā)研究團(tuán)隊(duì)的趙方臣研究員介紹說，在寒武紀(jì)早期幾千萬年的時(shí)間內(nèi)，突然出現(xiàn)門類眾多的無脊椎動物。節(jié)肢、腕足、蠕形、海綿、脊索動物等一系列與現(xiàn)代動物形態(tài)基本相同的動物在地球上來了個“集體亮相”。隨后，包括脊椎動物在內(nèi)的幾乎所有動物門類在幾百萬年間快速出現(xiàn)，前寒武寂靜的海洋瞬間變成了熱鬧的動物園。

也就是說，在不到地球歷史1%的時(shí)間里，寒武紀(jì)生命大爆發(fā)誕生了地球上絕大多數(shù)動物門類，奠定了現(xiàn)今動物門類多樣性的框架。

但是，令科學(xué)家不解的是，在早期更為古老的地層中，長期以來沒有找到其明顯的祖先化石的現(xiàn)象。同時(shí)，寒武紀(jì)特異埋藏化石庫的時(shí)間和空間分布也不均勻，大多數(shù)著名的寒武紀(jì)特異埋藏化石庫都集中分布在華南板塊和勞倫大陸。

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(fā)現(xiàn)，澄江動物群在我國的云南發(fā)現(xiàn)。而2019年在宜昌發(fā)現(xiàn)的清江生物群，與澄江動物群同屬于華南板塊。

這種地理分布的不均衡在寒武紀(jì)中期(苗嶺世)表現(xiàn)最為明顯：這一時(shí)期幾乎所有的特異埋藏化石庫都位于勞倫大陸，而此時(shí)恰恰是寒武紀(jì)演化動物群最為繁盛的階段。“因此，這些客觀條件在很大程度上制約了我們對寒武紀(jì)演化動物群面貌和格局的全面認(rèn)識。”趙方臣說道。

我國是一個化石資源非常豐富的國家。據(jù)地質(zhì)古生物學(xué)家調(diào)查發(fā)現(xiàn)，華北地區(qū)有大量的寒武紀(jì)地層，但長期以來，還沒有發(fā)現(xiàn)類似的軟軀體保存的特異埋藏生物群。理論上，華北板塊不可能錯過寒武紀(jì)生命大爆發(fā)，那么，這些化石究竟埋藏在哪里呢?

超35個化石類群現(xiàn)身“臨沂動物群”

近年來，中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所寒武紀(jì)大爆發(fā)研究團(tuán)隊(duì)在這一地區(qū)展開了大量野外工作，并選取代表性層位和剖面進(jìn)行了集中采集，收集到了數(shù)千枚精美的化石標(biāo)本。

本次綜合研究的“臨沂動物群”來自山東省臨沂市西郊的寺口剖面，軟軀體化石集中產(chǎn)出于寒武系張夏組盤車溝段下部的黑色與黃綠色頁巖中?？蒲腥藛T根據(jù)其中的三葉蟲，確定特異埋藏化石庫的時(shí)代為距今約5.04億年寒武紀(jì)苗嶺世鼓山期的早期，稍微晚于布爾吉斯頁巖生物群。

趙方臣告訴記者，目前，已有超過35個化石類群在“臨沂動物群”中被發(fā)現(xiàn)，豐富了這一時(shí)期海洋生物與群落的多樣性面貌。其中組合中多樣性最高的類群是非三葉蟲節(jié)肢動物，又以奇蝦類和莫里森蟲類最為引人注目。除節(jié)肢動物以外，多樣的海綿動物和蠕蟲狀動物也值得進(jìn)一步深入研究。

“‘臨沂動物群’中的化石大部分為軟軀體形式保存，且許多都保存了精細(xì)的解剖結(jié)構(gòu)，如附肢、眼睛、消化系統(tǒng)和剛毛等，為我們進(jìn)一步了解這些生物的解剖結(jié)構(gòu)提供了新信息。”趙方臣說。

趙方臣表示，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。在華北地區(qū)，過去也有科學(xué)家采集了大量寒武紀(jì)化石，但都是保存在硬質(zhì)的碳酸巖中，化石大多為三葉蟲的骨片，而對泥巖的采集鮮有涉足。

經(jīng)過對軟軀體化石保存條件的深入研究，趙方臣決定對華北地區(qū)細(xì)膩的泥巖進(jìn)行挖掘。經(jīng)過數(shù)年的采集，大量寒武紀(jì)軟軀體動物化石重見天日。

科研人員發(fā)現(xiàn)，與其他經(jīng)典的布爾吉斯頁巖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(jié)構(gòu)以碳膜的形式保存在背景層與事件層交互出現(xiàn)的地層中，證實(shí)了類似的埋藏學(xué)路徑在軟軀體化石保存中具有普遍性。

華北首次發(fā)現(xiàn)寒武紀(jì)特異埋藏化石庫

作為華北板塊第一個被綜合研究的寒武紀(jì)特異埋藏化石庫，科學(xué)家對“臨沂動物群”寄予厚望。它有望為華北寒武紀(jì)特異埋藏化石庫的研究開啟新的篇章。

“在寒武紀(jì)時(shí)期，地球大陸的板塊與現(xiàn)在大不相同，我國的華北板塊與長江流域的場子地臺、華南地區(qū)的華南褶皺區(qū)還處于分離狀態(tài)。華北板塊是一個獨(dú)立塊體，當(dāng)時(shí)臨沂所在的位置，大概位于華南和加拿大中間，是茫茫大洋中的一塊孤島。”趙方臣說，作為中國傳統(tǒng)“中寒武統(tǒng)”的標(biāo)準(zhǔn)地區(qū)，華北板塊的寒武紀(jì)中期地層序列完整，化石豐富，是尋找這一時(shí)期特異埋藏化石庫的潛力地區(qū)。

而遠(yuǎn)在數(shù)千公里之外的華南板塊，澄江生物群代表了寒武紀(jì)生命大爆發(fā)的高峰期。在那之后，生命演化呈現(xiàn)什么規(guī)律，與奧陶紀(jì)生命大輻射如何銜接?解開這個謎團(tuán)就需要“中寒武統(tǒng)”的華北板塊“接力”跑下去。

“我們認(rèn)為生命演化是有連續(xù)性的，華北板塊發(fā)現(xiàn)的‘臨沂動物群’正好接上了澄江生物群，可以研究兩者之間的相關(guān)性。”趙方臣表示，華北板塊寒武紀(jì)特異埋藏化石還有待進(jìn)一步發(fā)掘研究，有望在更晚的地層中獲得新的發(fā)現(xiàn)，把寒武紀(jì)到奧陶紀(jì)的生命演化故事講得更完整。

同時(shí)，“臨沂動物群”與同期的北美特異埋藏化石庫之間有許多相同的生物類型，其中一些珍稀節(jié)肢動物，如迷音蟲和莫里森蟲，即使在原產(chǎn)地北美也十分少見，這暗示了華北與北美軟軀體動物群在這一時(shí)期的密切聯(lián)系。

通過聚類分析、非度量性多維標(biāo)度變換和網(wǎng)絡(luò)分析等定量分析手段，科研人員進(jìn)一步明確了華北與北美軟軀體動物群之間的聯(lián)系。“這表明華北可能充當(dāng)著東岡瓦納與北美之間的生物地理紐帶。不過，由于來自不同角度的古地理證據(jù)尚存在差異，這種聯(lián)系的生物地理解釋還需要進(jìn)一步的研究評估。”趙方臣說。

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