燕山地区发现迄今全球最早的多细胞真核生物化石

发布时间：2024-01-25 打印

2024年1月24日，中国科学院南京地质古生物研究所研究员朱茂炎领导的“地球-生命系统早期演化”团队在《科学进展》（Science Advances）杂志发表最新研究成果，报道了华北燕山地区16.3亿年前地层中发现多细胞真核生物化石。这些保存精美细胞结构的微体化石被认为是迄今全球发现最早的多细胞真核生物化石记录。这是继2016年在燕山地区发现15.6亿年前全球最早的宏体多细胞真核生物化石之后，该团队在早期生命演化领域中的又一项重要突破，将多细胞真核生物出现的时间进一步提前了7千万年。

当今地球上我们熟知的所有复杂生命，包括形态各异的动物、陆生植物、真菌和宏体藻类都是多细胞真核生物，因此真核生物的多细胞化是生命向复杂化和大型化演化的必备条件，被认为是生命演化史上的重大关键事件之一。然而，真核生物最早何时发生多细胞化？即多细胞真核生物何时在地球上开始出现？截止目前，学界对这一重大科学问题并无明确的答案和证据。

已知化石证据表明，简单的微体多细胞真核生物在距今10亿年左右的地层中已经出现，并开始多样化，包括红藻、绿藻和真菌化石等。而在更古老地层中曾经报道过的“多细胞真核化石”，因缺乏可靠的生物学证据（如多细胞结构和复杂形态），它们的多细胞特征和真核生物属性均存在很大的不确定性，受到普遍怀疑。

2016年，朱茂炎团队联合中国地质调查局天津地质调查中心研究员朱士兴等国内外同行，在《自然通讯》（Nature Communications）上报道了燕山地区15.6亿年前的宏体多细胞真核生物化石的发现（Zhu et al., 2016）。这一发现突破了学界以往的认知，不仅将地球上大型多细胞真核生物的出现时间从以前认为的6亿年前提前了将近10亿年，并由此推断真核生物发生多细胞化的时间应该更早。

为了论证这一推断，团队成员苗兰云自博士研究生开始，就将在燕山地区早于16亿年前的古元古代晚期“长城系”地层中寻找多细胞真核化石记录作为研究课题。在长达近8年的时间内，对燕山地区多个剖面点上采集了数百件长城系页岩样品。通过氢氟酸和盐酸等实验处理，获得大量微体化石标本。在发现大量多种类型的单细胞真核生物化石的同时（Miao et al., 2019, 2024a），终于在河北省宽城县翁家庄剖面长城系串岭沟组上部，发现了本次报道的微体多细胞真核生物化石（Miao et al., 2024b）。含本次报道化石的地层顶部曾报道有一层火山凝灰岩，其中的锆石铀-铅同位素定年结果为16.35亿年，为新发现的化石提供了直接的年龄约束。

这批发现的化石标本一共278枚，它们是由单列细胞组成的无分枝的丝状体，丝状体直径20-194微米不等，最长可达860微米，无外鞘。因保存不完整，完整的丝状体长度未知。虽然丝状体整体结构相对简单，但却表现出一定的复杂性，主要体现在形态上的变化。有些丝状体直径保持不变，细胞呈短柱状至长柱状；有些丝状体整体向一端均匀收缩，细胞呈柱状、桶状或杯状；而有的丝状体仅一端变细，其余部分直径不变。

通过测量可以表征丝状体形态变化的2个比值（即单个丝状体中细胞的直径和长度上的变化）和丝状体直径大小分布频率。结果显示不同类型的多细胞丝状体在形态上呈现连续过渡变化的特征，表明它们属于同一个物种。由于与前人在燕山中部天津蓟县地区串岭沟组页岩切片中报道的“壮丽青山藻”（Qingshania magnifica Yan, 1989）化石形态和大小相似，本次研究将其归入同一个属种。

当初的研究者将这些化石解释为原始绿藻，或许因为化石图片不清晰，生物学解释的证据不够充分，故自1989年报道以来并未引起国内外同行的关注。此次研究中一个重要的新发现是，壮丽青山藻的部分细胞内含有直径约15-20微米大小的圆形结构，位于细胞的中间或接近横向细胞壁的位置。圆形结构形态完整规则，质地均匀，大小和形态上可与现生的某些真核藻类的无性孢子类比，被解释为一种繁殖细胞。由此可见，壮丽青山藻是一种通过孢子繁殖的生物。根据部分丝状体向一端变细或变粗的特征，可以推测壮丽青山藻可能为营底栖固着的生活方式，虽然目前还没有见到固着器结构。

现生生物中，由单列细胞组成的丝状体生物种类非常繁多，在原核（细菌和古菌）和真核生物中都广泛存在。综合比较丝状体形态的复杂度、细胞大小和繁殖方式，原核生物中并没有可以与壮丽青山藻相对比的类型。据统计，目前已知的原核丝状体至少分布于12个门类147个属中，但它们绝大多数个体很小，直径多在1-3微米，仅个别巨型蓝细菌和硫细菌直径能够达200微米，与壮丽青山藻的直径相似。但这些巨型细菌的细胞全部为圆盘状，没有任何形态复杂性。

而真核生物中类似壮丽青山藻的丝状体生物则很多，例如异养的丝状真菌和丝状卵菌，特别是大多数真核藻类都含丝状体，如褐藻、黄藻、绿藻、红藻、轮藻、共球藻等。因此，研究团队认为壮丽青山藻为多细胞真核生物化石。综合分析表明，一些现生绿藻的藻丝体形态、细胞大小分布和繁殖方式等与壮丽青山藻最为接近。由此，研究团队认为壮丽青山藻不仅是多细胞真核生物，且很可能属于多细胞藻类，具有光合作用的代谢能力，尽管目前无法将其归属到具体现生门类中去。

为了进一步验证壮丽青山藻的真核生物属性，研究团队采用激光拉曼光谱仪对壮丽青山藻的有机质成分进行了谱学分析，并用同层位产出的3种蓝细菌化石作为对比组。所有分析化石的拉曼光谱特征表明，化石有机质成分是无序碳质物质。根据拉曼地质温度计估算出的最大埋藏温度为205-250 C，表明化石经历了低级变质作用，排除了现代生物污染的可能性。拉曼光谱的主成分分析（PCA）结果显示，壮丽青山藻的有机质组成明显不同于蓝细菌化石，为其归属为多细胞真核生物的解释提供了支持。

目前学界普遍接受的真核生物最早化石记录发现于我国华北和澳大利亚北部距今约16.5亿年之前的古元古代晚期地层中。壮丽青山藻的出现时间仅仅稍晚于这些最古老的单细胞真核化石，表明真核生物出现之后便迅速发生了复杂的多细胞化演化。由于真核藻类（泛色素体植物）属于冠群真核生物（现代真核生物）的一个支系，如果壮丽青山藻可以确认为是营光合作用的真核藻类，那么真核生物最后共同祖先（LECA）应不晚于16.3亿年之前的古元古代晚期，比当前学界普遍接受的时间提前了近6亿年之久，且与分子钟推算的时间基本吻合，为进一步揭示复杂生命的起源和早期演化过程的奥秘以及元古宙地球环境演变提供了新的思考。

哈佛大学教授Andrew Knoll和中国科学院深海科学与工程研究所研究员屈原皋参与了此项研究。本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院创新交叉团队的联合资助。