天津薊縣（現(xiàn)薊州區(qū)）中上元古界國家自然保護區(qū)。
河北省寬城縣翁家莊剖面串嶺溝組中發(fā)現(xiàn)的“壯麗青山藻”化石。
河北省唐山市遷西縣高于莊組中發(fā)現(xiàn)的宏體碳質膜化石。
以上圖片均為中國科學院南京地質古生物研究所提供
"> 研究團隊合影。
以上圖片均為中國科學院南京地質古生物研究所提供
不久前，全球頂級學術期刊《科學》雜志公布了2024年度十大科學突破評選結果，中國科學院南京地質古生物研究所（以下簡稱“南京古生物所”）朱茂炎團隊發(fā)現(xiàn)迄今最古老的多細胞真核生物化石這一重要成果入選。
真核生物的多細胞化是生命向復雜化和大型化演化的必備條件，被認為是生命演化史上的重大關鍵創(chuàng)新事件之一。最古老的多細胞真核生物化石是如何被發(fā)現(xiàn)的？它的發(fā)現(xiàn)有何重要意義？科學家為我們一一解答。
“這塊化石不簡單”
在數(shù)十億年的地球生命演化歷史中，真核生物的出現(xiàn)與繁盛有著至關重要的意義。至此，生命擺脫了簡單的形態(tài)，細胞擁有了“遺傳和代謝調控中心”的細胞核以及“能量工廠”線粒體，為今天復雜生命形態(tài)的演變奠定了基礎。
現(xiàn)在的地球上，包括人類在內的動物、陸生植物、真菌和宏體藻類等，都是復雜生命，也都是多細胞真核生物。
“多細胞化是真核生物獲得生物復雜性和大尺寸的關鍵，通常被認為是地球生命演化上的重大創(chuàng)新。”南京古生物所研究員朱茂炎說。
那么，真核生物最早何時發(fā)生多細胞化？截至目前，學界對這一重大科學問題并無明確答案。
已知的化石證據(jù)表明，簡單的微體多細胞真核生物，包括紅藻、綠藻和真菌化石等，在距今10億年左右的地層中已經(jīng)出現(xiàn)，并在距今6億年前后開始多樣化和大型化。
會不會比這個時間更早呢？帶著這個疑問，朱茂炎帶領團隊開始了探索之旅。
契機出現(xiàn)在2012年。那一年，朱茂炎前往天津薊縣（現(xiàn)為天津薊州區(qū)）進行野外考察，其間在同行朱士興家里的一次做客，讓他有了意外收獲。
“朱老師在中國地質調查局天津地質調查中心從事研究工作，經(jīng)常去燕山山脈地區(qū)采集化石。”朱茂炎回憶說，“當時，在他家沙發(fā)旁邊就擺了五六個托盤的化石。我打眼一看，里面有一塊化石非常大，長有30厘米左右，形態(tài)類似海帶。”
朱茂炎立即敏銳意識到，“這塊化石不簡單。”
朱士興解釋，這是他1997年在河北遷西和寬城地區(qū)進行野外地質調查工作時，在距今15.6億年的“薊縣系”高于莊組（巖石地層名稱，屬中元古代地層）中發(fā)現(xiàn)的宏體碳質膜化石。
這個重要線索，讓朱茂炎團隊決定，將考察研究的地域范圍進一步鎖定在高于莊組所處的燕山山脈地區(qū)。
“這個‘更早’會是什么時候？”
燕山山脈是中國北方重要山脈之一。對于地質古生物學來說，燕山山脈有著非凡的意義。20世紀30年代初，地質學家高振西等人在燕山山脈長城腳下的天津薊縣，建立了我國北方“震旦系”標準剖面。近百年來，經(jīng)過幾代地質學家的研究，發(fā)現(xiàn)了很多早期生命化石，其時代厘定也越來越精準。
朱茂炎說：“那里的巖石為距今18億年到13億年的前寒武紀沉積地層，近萬米厚，是全球開展地球早期地質歷史和生命演化的最好、最經(jīng)典的地區(qū)之一。”
瞄準這一區(qū)域，朱茂炎團隊聯(lián)合朱士興等國內外同行展開了深入的考察和發(fā)掘。2013年開始，他們合作對燕山地區(qū)高于莊組發(fā)現(xiàn)的一批距今15.6億年的宏體生物化石進行了研究。從外觀來看，這批化石已經(jīng)“長得很大”，寬達8厘米，不完整的化石長度可達30厘米。科研人員判定它們?yōu)樽钤绲暮牦w多細胞真核生物化石，研究成果于2016年發(fā)表。
這一結果引起學界的廣泛關注，不僅將地球上大型多細胞真核生物的出現(xiàn)時間從之前認為的6億年前向前推了將近10億年，并由此推斷真核生物發(fā)生多細胞化的時間應該更早。
“出現(xiàn)這么大的宏體化石，說明在此前還可能會有相對簡單的微體多細胞生物（肉眼不可見）演化階段。”朱茂炎說。
“這個‘更早’會是什么時候？”
為了驗證這一推斷，在燕山地區(qū)早于16億年的古元古代晚期“長城系”地層中，朱茂炎團隊繼續(xù)尋找“更早”期多細胞真核化石存在的蛛絲馬跡。
由于長城系地層中的化石多為肉眼看不見的微體化石，必須借助顯微鏡才能看清楚細節(jié)，而且這些化石被深深包埋在富含黏土的頁片狀巖石內，所以科研人員必須將采集的樣本帶回實驗室進行分析研究。
苗蘭云博士是朱茂炎團隊開展燕山地區(qū)研究的主力成員。自2016年研究生階段開始，她就將尋找最早的多細胞真核化石記錄作為主要研究課題。8年來，苗蘭云和團隊成員一直往返于河北采集地與南京實驗室之間。
化石實在太小，但哪怕是50克的巖石樣本，經(jīng)過提取處理也能制成幾十個薄片，放到顯微鏡下，科研人員幾天都看不完。
“很長一段時間，我都沒有出任何成果。”苗蘭云坦言，這一度讓她感到十分焦慮。但因為對地球早期生命演化研究的熱愛，她仍然選擇繼續(xù)堅持。
功夫不負有心人。2021年初的一個夜晚，苗蘭云第一次在顯微鏡下觀察到了多細胞結構，而且非常清晰。這令她異常興奮。
最終，苗蘭云從采集的幾百件樣品中，發(fā)現(xiàn)了278枚保存精美細胞結構的微體多細胞真核生物化石標本，這些標本均來自河北省寬城縣翁家莊剖面串嶺溝組中上部地層。
“我們還要繼續(xù)往下追！”
找到的化石，是不是最早的多細胞真核生物？
顯微鏡下的觀察顯示，這200余枚化石是由巨型細胞組成的，且細胞形態(tài)復雜。
為了確認化石的具體身份，科研人員開展了進一步的研究分析。他們發(fā)現(xiàn)，這些絲狀體化石，與1989年在天津薊縣地區(qū)串嶺溝組發(fā)現(xiàn)的“壯麗青山藻”很相似，可歸入同一個屬種。
朱茂炎說：“綜合分析表明，‘壯麗青山藻’與一些現(xiàn)生綠藻的藻絲體形態(tài)、細胞大小變化和繁殖方式等最為接近。由此，我們認為‘壯麗青山藻’屬于多細胞真核生物化石，且很可能是多細胞藻類，具備光合作用的代謝能力。”
此次發(fā)現(xiàn)的化石所在地層頂部有一層火山凝灰?guī)r，前人曾通過鋯石鈾—鉛同位素定年，結果為16.35億年，這為新發(fā)現(xiàn)的化石提供了直接的年齡約束。因此，“壯麗青山藻”被認為是迄今全球發(fā)現(xiàn)最早的多細胞真核生物化石記錄，距今16.3億年。
這一最新發(fā)現(xiàn)，是繼團隊2016年發(fā)表燕山地區(qū)發(fā)現(xiàn)15.6億年前全球最早的宏體多細胞真核生物化石的成果后，又一項重大突破，將多細胞真核生物出現(xiàn)的時間進一步提前了約7000萬年。該成果發(fā)表在2024年1月25日出版的《科學進展》雜志上。
“我們還要繼續(xù)往下追！”朱茂炎說，“目前只是找到了一些化石碎片，我們還不知道這些多細胞真核生物整體長什么樣，它的多樣性和生活環(huán)境如何，在生態(tài)位上處于什么位置等，還有很多疑問需要去研究、去解答。”
《 人民日報 》（ 2025年01月20日 19 版）