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Aug. 11 2021

近9億年前的海綿化石,可能是地球上最古老的動物

  • 在加拿大發現的一組奇特化石可能是遠古海綿。如果屬實,這將是迄今發現最古老的動物化石。圖中這些浴用海綿是牠們的現代親戚。PHOTOGRAPH BY RASMUS LOETH PETERSEN, ALAMY STOCK PHOTO

    在加拿大發現的一組奇特化石可能是遠古海綿。如果屬實,這將是迄今發現最古老的動物化石。圖中這些浴用海綿是牠們的現代親戚。PHOTOGRAPH BY RASMUS LOETH PETERSEN, ALAMY STOCK PHOTO

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一組奇特的絲網狀化石,將地球已知最古老的動物化石紀錄往前推進超過3億年,卻也引發了如火如荼的論戰。

遠在植物登上陸地以前,不起眼的海綿親戚們就已在地球上過濾海水長達數億年或更久。由於海綿構造單純,科學家認為牠們是地球上最早出現的動物,但確切出現年代仍有待商榷。

最近一篇發表於《自然》(Nature)期刊上的研究,認為一座古老礁體上的絲網狀結構可能是8億9000萬年前的海綿。若獲得證實,這些發現於加拿大西北部「小達爾」(Little Dal)石灰岩層的海綿化石,將比目前最早且無爭議的動物化石早了超過3億年。

然而,大部分關於極古老生物化石的主張都會引來爭議,因為古代海洋中興盛繁衍的生物和現在大洋中悠遊的生物可能看起來截然不同。至於需要哪些(或多少)證據,才能將動物化石和其他生命形態──甚至地質型態──做出區別,科學家們也各持己見,就連在小達爾出土的化石也不例外。

「我們有的只是一些在岩石裡的扭曲線條,本質有點類似羅夏克墨跡測驗(Rorschach test)。」古生物學家強納森.安特克里夫(Jonathan Antcliffe)說,他在瑞士洛桑大學研究早期生命體。

在一場Zoom會議中,該研究的唯一作者伊莉莎白.特納(Elizabeth Turner)舉起一塊芥末黃的天然沐浴海綿──即新發現海綿化石的現代親戚。她指出賦予這塊海綿彈性的管狀網路結構,解釋該結構和最近分析的化石,以及最近由其他科學家辨識出的數枚較年輕的絲網狀化石都「完全一致」。

「這似乎一目了然。」特納說,他是安大略勞倫森大學的野外地質學家。不過她同意,該研究提出的「動物身份」會掀起爭議。「是時候公諸於世,讓學術圈討論並提出挑戰了。」

可疑的化石

這些新近獲得描述的化石原本藏於小達爾礁體高聳的縫隙中。這個結構形成於一個溫暖的時代,當時淺海淹沒北美大陸的大片土地──時間與板塊運動使內陸海道乾涸,並且將礁體轉化為岩石。有別於許多由珊瑚建構成的現代礁體,這個古老的結構由藍綠菌(cyanobacteria) 建築而成。這些微生物會形成一片片菌席,而隨著時間推移,沙子開始堆積於它們帶有黏性的表面,並與溶解於水中的礦物質產生膠結,最終形成層狀的堆垛結構。

變成化石後,這些層狀的微生物結構就成了疊層石(stromatolite)。有些疊層石能追溯到35億年前,為地球上一些最早的生命提供了有力證據。

數十年前,當特納還在安大略皇后大學就讀研究所時就開始研究小達爾礁體了。當時她感興趣的是藍綠菌如何建造出礁體,但一系列擁有複雜結構的奇異樣本吸引了她的目光。

「這些樣本有些可疑,」特納說。小達爾礁體大多「只是條狀的層紋構造。」她說。然而結構中有一些奇怪的樣本是管狀的,可在分岔後再度結合成一個多邊的立體網路。她當時不知該如何認定這些奇特的結構。

「我當時想說,你知道的,我大概會讓這個疑惑留在腦中化膿。」她說。

然而,關於這些結構的可能身分,近年內已有許多線索開始累積。研究人員在數處比小達爾礁體年輕許多的岩石中發現了非常相似的彎曲網狀物。他們認為這些分岔的絲網狀結構,可能是角質海綿(keratosan sponge)這類生物的化石遺骸。

許多海綿會以骨針(spicule)這種細小而堅硬的組織建構牠們的骨骼;骨針由碳酸鈣或二氧化矽構成,形似「鐵蒺藜」,在化石中是辨別早期海綿的明顯指標。但是角質海綿並沒有這樣堅硬的骨骼。牠們的骨骼結構由柔軟、富有彈性的海綿硬蛋白(spongin)構成,非常適合用於今日的沐浴用途。

透過在顯微鏡下研究薄如紙的岩石切片,特納將小達爾樣本的管狀結構與先前辨識出的角質海綿化石,還有與當代海綿做出比較,並記錄下其相似性。

在她發現這些奇異結構的數十年後,透納終於準備好將結果出版。「這是一首獻給慢科學的頌歌。」她說。

是海綿,還是其他東西

長久下來,關於最早的動物何時出現──與需用哪種證據來判定某個化石是動物──科學家一直爭議不斷,這項新研究當然也沒缺席。倫敦自然史博物館專研古代微生物的生物學家凱榮.希克曼-路易斯(Keyron Hickman-Lewis)解釋說,過去數十年間,地球化學追蹤劑(geochemical tracer),即生物指標的使用,儼然成為辨別早期生物的常見方法。例如,各種脂質的化石遺留就經常被用作生物指標。

然而希克曼-路易斯說,後來有許多關於早期生物的證據都是錯的。一些本來有潛力的生物指標可能來自汙染,其他的化學指標也無法確信指向動物。例如,科學家最近發現藻類在特定的地質作用下可能產生的化合物,和之前從阿曼6億3500萬年前的沉積層中萃取出來,而被辨識為古代海綿證據的化合物相同。

所以在經歷過最初的振奮之後,「我們對動物的早期起源變得很多疑。」希克曼-路易斯斯說。

對小達爾礁體中絲網狀結構的研究,可望再度引發熱議。「我認為證據很有力。」田納西大學納克斯維爾分校的羅伯特.萊丁(Robert Riding)說,他是這篇研究的審稿人。他最近發表的一篇論文,紀錄了紐約一處疊層石上相似的化石,年代距今有4億8500萬年。

這些海綿和微生物礁體之間的關聯可謂合理,特納說明。地球的大氣並不總是富含氧氣,而這些海綿生存的年代之早,當時海洋中尚未富含這種「生命友善」氣體。但是藍綠菌礁體周圍可能存在所謂的「氧氣綠洲」,這種能行光合作用的微生物可能會釋放出海綿能夠使用的氧氣。

「這兩種化石同時存在的事實,再度強化了彼此的可信度。」希克曼-路易斯說。

其他專家則較不信服,認為這些海綿狀的絲網結構並沒有像透納與其他學者說的那麼獨特。「基本上任何生物──細菌、藻類、真菌、植物、動物──都可以製造出長得像這樣的東西。」安特克里夫說。

在2014年一篇檢視早期海綿證據的論文中,安特克里夫和同事們發現最早且可信的動物化石是伊朗發現的海綿骨針,年代大約在5億3500萬年以前。他說目前尚無新研究能改變他的想法。

安特克里夫認為,許多分析辨識出的東西,僅僅是早期海綿狀結構的「暗示與風聲」,因為沒有一篇研究可提出無可反駁的特徵,如骨針或氣孔。這兩者是辨別備受爭議的古杯動物(Archaeocyathid)的關鍵特徵;牠們是另一類沒有骨針的海綿狀動物,化石出現在5億2300萬年前的岩石中。

美國愛荷華州維農山康乃爾學院的古生物學家德魯.穆先特(Drew Muscente)認為, 這些挑戰有部分原因是因為古代海綿比其他動物更難辨認。打個比方,恐龍有一系列突出的骨骼特徵,如骨臼、顱縫等等,能幫助科學家將牠們的化石和其他非生物物件分開。「如果你手上的是一塊海綿或者似海綿的有機體,這些小細節可是一個都沒有。」他說。

非生物化學反應也可以形成和生物驚人相似的構造,瑞秋.伍德(Rachel Wood)補充,她是愛丁堡大學的碳酸鹽地質學家。「她可能是對的。但是我認為在做出這種非常強烈的宣稱之前,真的應該探索,且反正其他所有的可能性。」所以伍德說,目前「我不認為她已經能確定這些是海綿了。」

唯有更進一步分析才能解決這場論戰。伍德表示,把這些管狀網路製成立體模型,將有助於更仔細地檢視其中構造。而萊丁希望這篇新研究能啟發更多科學家來更仔細地檢視其他疊層石,找出更多的絲網狀結構。

「我不認爲故事已經完結了,」萊丁說:「現在有趣的階段才正要開始。」

 

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