□吳再豐 編譯

“寒武紀(jì)大爆發(fā)”事件探秘

□吳再豐 編譯

小 引

最初的地球生命誕生于38億年前，可是在起初30多億年的歲月里，生命卻一直緩慢地進化。出乎意料的是，進入寒武紀(jì)后生命突然加快了進化速度，在不到1000萬年的時間里，各種動物爆炸似地出現(xiàn)。這就是地球生命演化史上著名的“寒武紀(jì)大爆發(fā)”事件。

1859年英國生物學(xué)家查爾斯·達(dá)爾文在《物種起源》一書中提出“進化論”，并且假設(shè)“生物一點一點地多樣化和進化”。但是他又這樣說：“在我的理論中有若干重大的難點。其中一個是在寒武紀(jì)突然出現(xiàn)若干物種。對此，我不能作出讓人信服的解釋?！?/p>

所謂“寒武紀(jì)”，是指始于距今4.88億年前延續(xù)到5.4億年前大約5200萬年的一個時期。進化論發(fā)表時，從寒武紀(jì)以前的地層中還完全沒有發(fā)現(xiàn)化石。之后突然發(fā)現(xiàn)幾種以三葉蟲為代表的各種化石，這按達(dá)爾文所說的“生命以簡單的物種一點一點地向復(fù)雜的物種進化”是無法解釋的。即使現(xiàn)在，這個爆炸性進化的原因也沒有完全被解釋清楚。

寒武紀(jì)的生命體系

加拿大英屬哥倫比亞省的伯吉斯頁巖層，在寒武紀(jì)早期是淺海的海底沉積構(gòu)成。二十世紀(jì)初美國古生物學(xué)家沃爾科特?zé)o意中發(fā)現(xiàn)了在那里生活的動物的化石，它包括了仍然存于現(xiàn)在的從低等的海綿動物到最高等的脊椎動物的各個門類，以及早已滅絕的一些門類，共計出現(xiàn)了100多種，其中也包含了現(xiàn)有物種中的38種。而寒武紀(jì)以前的地層中卻只有海綿動物門、刺胞亞門和櫛水母門三個動物群的化石。這100多種化石為我們提供了一幅寒武紀(jì)時期最完整、最古老的海洋生態(tài)群落圖，從而使我們可以從中窺視地球生物共同祖先的原始面貌。由于這些動物化石都是在5.15億年前形成的“伯吉斯頁巖層”中發(fā)現(xiàn)的，故這些動物被統(tǒng)稱為“伯吉斯頁巖生物群”。

“寒武紀(jì)大爆發(fā)”時期，一個完整的地球生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)形成。這個生態(tài)體系形成了一個食物鏈，與如今的已經(jīng)非常類似。即在海底生長著與伯吉斯頁巖生物群共生的海藻，以及由海藻類構(gòu)成的生物礁，包括附著在海床上的海綿、出現(xiàn)堅硬外殼的古杯屬和形似盤狀和葉狀的海茟石。在海底泥沙中還生活著各種的鰓曳蟲類——穴居蠕蟲和海底爬行的葉足類動物怪誕蟲，它們大都以海底沉積的有機物為生。

這些藻類生物和食泥動物構(gòu)成了生態(tài)食物鏈的底層。在海底爬行、捕食其他小型動物或尸骸為生的葉足類動物，以及浮游在水中捕食的節(jié)肢動物馬瑞拉蟲和皮卡亞蟲構(gòu)成了食物鏈的中間層。而高踞食物鏈頂點的是一種長近2米的奇蝦，它像后來侏羅紀(jì)的魚龍一樣，稱霸于寒武紀(jì)的海洋。

奇蝦的頭上有一對莖狀大眼睛，還有一對強大的抓肢和一個具有尖牙利齒的巨大的圓形口器。大眼睛使奇蝦具有寬廣的視野，強大的抓肢可用于抓捕并牢牢控制較大型的動物，具有尖牙利齒的嘴能夠撕碎各類動物的軀體。奇蝦的腹面兩側(cè)具有槳狀的腿外肢和腿內(nèi)肢結(jié)構(gòu)，這使得它們既可以在海中迅速游動，又可以利用腿肢抓捕其他動物。

遠(yuǎn)古海洋的繁榮情景

前文提及的古杯動物群是動物進化的重大事件，它意味著動物有了堅硬的外殼。這項進展發(fā)生于前寒武紀(jì)末期。全世界的寒武紀(jì)巖層中都已發(fā)現(xiàn)早期有殼動物的微體化石，這類動物包括有螺旋外殼的軟體動物和住在直管里的蠕蟲。

包括美托古杯屬在內(nèi)的古杯動物類群都是早期具有體外貝殼的動物。它們的形狀像顛倒的圓錐體，可附著在海床上生活。

在伯吉斯頁巖動物群中有長著五個眼睛和長長噴管口器的奧帕皮蟲，以及體長3厘米、身體呈圓錐形且外覆鱗片、長有1000枚棘的微瓦霞蟲等眾多怪異形狀的動物。特別是在伯吉斯頁巖時期還出現(xiàn)了數(shù)量眾多的各種三葉蟲。

三葉蟲是最早進化出眼睛的遠(yuǎn)古動物。它們的眼睛可分為兩大類，都是由細(xì)小的方解石結(jié)晶透鏡所構(gòu)成。大多數(shù)的三葉蟲都有全色眼，與昆蟲的復(fù)眼類似。其眼中有多達(dá)15000個六邊形透鏡緊密相連，就像蜂窩的巢室一樣，而每個透視鏡都略朝不同方向。只要有動物移動，三葉蟲的全色眼中就可以呈現(xiàn)出模糊的影像。其他三葉蟲則有裂色眼，由球狀的大型透鏡組成，裂色眼可以呈現(xiàn)物體的鮮明影像。但同屬三葉蟲一屬的馬瑞拉蟲似乎沒有眼睛。這種動物體長可達(dá)2厘米，有大型的頭部盾片及兩對長觸角，身體由24~26片體節(jié)構(gòu)成，每一體節(jié)都有上下分叉的附肢足。附肢足的下分叉部分用于步行，上分叉部分則有鰓，由此可知馬瑞拉蟲既能步行又能游泳。在伯吉斯頁巖層中，許多掠食動物可能都以這類動物為生。

寒武紀(jì)中期的皮卡亞蟲類群中出現(xiàn)相當(dāng)早的是一種會游泳的鰻形動物，體長5厘米。皮卡亞蟲有一條稱為脊索的彈性柱狀結(jié)構(gòu)，可以讓身體更加硬挺。脊索在較后期動物的身上則進化為脊柱。皮卡亞蟲會收縮環(huán)繞脊索的肌肉腱，使身體做出波浪狀動作驅(qū)水前行。

總之，遠(yuǎn)古的海洋呈現(xiàn)出一片繁榮景象，各種動物競相生存，由于種類太多，本文就不一一介紹了。

生命有“硬殼”了

英國自然史博物館的帕克博士通過對館藏寒武紀(jì)化石的分析后指出：“寒武紀(jì)爆發(fā)的最大特征是從軟體動物向具有硬殼的動物進化?！?/p>

實際上，“寒武紀(jì)大爆發(fā)”前已有若干生物群。作為它們的代表，澳洲南部埃迪卡拉丘發(fā)現(xiàn)的文德階動物群（前寒武紀(jì)的動物群）的化石遺跡，可謂最有說服力。這個地層是由不常見的盤狀和枝葉狀化石（如帽森類‘?dāng)M水母’）構(gòu)成，也是最早發(fā)現(xiàn)的多細(xì)胞生命型。文德階動物群和后代生物群隱約雷同。例如史普瑞幾苪蟲看來就像常見的蠕蟲，而查尼歐類海茟石動物也形似海茟。文德階動物群皆是簡單不持有硬殼的軟體動物。

但是，以伯吉斯頁巖動物群為首的“寒武紀(jì)大爆發(fā)”后的動物化石表明，此時的生物已有復(fù)雜的構(gòu)造。諸如像現(xiàn)代昆蟲那樣的外骨骼、永久鼓出的莖眼、鋒利的嘴，還有像劍那樣的棘等等。

經(jīng)過“寒武紀(jì)大爆發(fā)”，生態(tài)也發(fā)生大的變化。文德階動物群的化石沒發(fā)現(xiàn)怎樣捕食的痕跡。例如我們發(fā)現(xiàn)恐龍時代霸王龍啃咬三角龍的痕跡，而文德階的動物則沒有那樣的傷。但是在有一塊化石的旁邊卻發(fā)現(xiàn)有撓泥集中在一起的痕跡，由此推斷文德階動物是從泥中有機物為食的。另一方面，從世界各地的寒武紀(jì)地層發(fā)現(xiàn)有明確捕食痕跡的化石。

另外，帕克博士指出：伯吉斯頁巖動物群中若干種有結(jié)構(gòu)色的可能性。所謂“結(jié)構(gòu)色”，不是有色素的顏色，而是在身體顯微結(jié)構(gòu)的影響下，視角不同顏色也會不同。猶如現(xiàn)代CD上的密紋呈現(xiàn)出的多變亮光等就是結(jié)構(gòu)色。至少像微瓦霞蟲或馬瑞拉蟲等身體的某部分具有像CD那樣發(fā)光的可能性。當(dāng)然制造結(jié)構(gòu)色那樣的復(fù)雜顯微結(jié)構(gòu)在文德階動物群是看不到的。

所謂“有色”，是指有識別那個的能力。對生物來說，出現(xiàn)被認(rèn)為是“眼睛”的器官，那已是在寒武紀(jì)以后的事了。

朝向節(jié)肢動物的時代

試看一下“寒武紀(jì)大爆發(fā)”在生命史上的影響。那些脊椎動物在寒武紀(jì)確立了統(tǒng)治地位了嗎？世界將變得怎么樣？

如果看一下中國的澄江動物群的數(shù)據(jù)，節(jié)肢動物的種類最多，占整個澄江動物的三分之一，支撐生態(tài)系統(tǒng)的是它們中的節(jié)肢動物群。

硬殼除了起防御作用外，還有另一個很大的優(yōu)點，就是能夠?qū)⒓∪飧街谟矚ど?。通過殼的基座伸展肌肉，可以無比正確、快捷而強有力地活動。

“寒武紀(jì)大爆發(fā)”以后，到大約4億年前之間，從化石中知道作為脊椎動物祖先出現(xiàn)的魚類，盡管有脊椎，但很多是無頜類，大小還不到一米，其間節(jié)肢動物群繼續(xù)向多樣化和大型化發(fā)展。

其中應(yīng)該大書特書的是超過2米的海蝎的出現(xiàn)。經(jīng)過自寒武紀(jì)爆發(fā)近一億年時間后才登場的海蝎，在魚類最大體長還是數(shù)十厘米的時代，它被視為踞于生態(tài)系的頂端，并作為狩獵魚類而存在。專家指出，在寒武紀(jì)爆發(fā)出現(xiàn)節(jié)肢動物時，腳僅僅是用來捕獲獵物或者步行的。但是海蝎的腳分化后卻用于游泳的槳和將獵物送到口中的小手。

“寒武紀(jì)大爆發(fā)”時的食物鏈與現(xiàn)在的食物鏈有所不同。其后經(jīng)過漫長的進化“能夠狩獵”的魚類，逐漸構(gòu)成接近今天的生態(tài)系。

那么，是什么因素導(dǎo)致了“寒武紀(jì)大爆發(fā)”事件的產(chǎn)生呢？人們對此眾說紛紜。其中最有說服力的是“含氧量變異說”。

該理論認(rèn)為，距今大約20億年前，由于進行光合作用的水生原核生物出現(xiàn)，導(dǎo)致海洋和大氣層中的自由氧積累增加和紫外線輻射作用減弱。到了15~39億年前，真核生物開始出現(xiàn)，導(dǎo)致大氣和海洋的氧含量進一步增加，碳酸鹽沉積和二氧化碳含量下降，由此引起全球氣溫的升降、冰川的形成和融化，以及海平面的升降，引發(fā)地球表面生態(tài)環(huán)境的多樣化和生物類群的急劇分化。特別是氧含量的多少關(guān)系到后生生物的演化，隨著氧含量的變化，多細(xì)胞后生動物立即出現(xiàn)，并迅速演化，導(dǎo)致生物大爆發(fā)。