科研进展
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六亿年前的化石揭示动物起源之谜
动物（特指后生动物，即包括最简单的海绵动物到最复杂的脊椎动物在内的所有多细胞动物）无疑是整个地球生态系统中不可或缺的组成。作为动物界的成员，人们对动物究竟是何时并如何起源的抱有天然的好奇心，但直到今天，这仍然是演化生物学领域悬而未决的重大科学难题。
现代动物界包括三十多个动物门类，已有研究表明它们拥有一个距今大约7亿多年的共同祖先。这一共同祖先由多细胞组成，而且细胞有功能分化，它是由更古老的单细胞祖先演化而来。然而，动物单细胞祖先是何时以及如何演化成多细胞祖先的呢？这个问题一直没有确凿的答案。
最近，中国科学院南京地质古生物研究所殷宗军副研究员和朱茂炎研究员，与英国布里斯托大学、瑞典自然历史博物馆以及瑞士光源的同行合作，在我国贵州瓮安生物群——一个距今6.1亿年的特异埋藏化石库中找到了一类名叫“笼脊球”的化石，为回答这一问题提供了重要线索。相关研究成果于2019年11月27日在线发表在《细胞》集团子刊《当代生物学》（Current Biology）上。
笼脊球整体呈球形，直径不到1毫米，保存了精美的多细胞结构。研究人员采用最先进的超高分辨率同步辐射三维无损成像技术，像医生给患者做CT扫描一样，重构了数百个笼脊球标本的立体结构。研究发现它们在一个充满母源营养物质的厚壁囊包中发育，不同标本代表了不同的发育阶段。重建的发育序列显示其发育过程非常类似动物的单细胞近亲（比如中生黏菌虫ichthyosporeans），但比动物的单细胞近亲更为复杂的是，它们在胚胎发育过程中出现了有规律的细胞迁移和重组，这些细胞行为和动物原肠胚的细胞迁移重组行为非常类似，表明动物胚胎特有的发育机制在动物化石记录大量出现之前至少4千多万年就已经准备好了。
如果我们将动物比喻成一只鸡的话，那么复杂的胚胎发育过程就是孵化出小鸡的蛋，它桥接了动物的单细胞祖先和动物多细胞祖先之间的鸿沟。而笼脊球化石的发现恰恰就表明，孵化出动物这只小鸡的蛋在6.1亿年前就已经出现了。换言之，笼脊球化石记录了动物从单细胞祖先向多细胞祖先演化的关键一步，这一步为真正有细胞和组织分化的动物的出现奠定了生物学基础。
现今一些动物胚胎在原肠胚期的发育过程仍然展示了与笼脊球之间的高度相似性，比如一些水母和海胆的原肠胚。
该研究受到中国科学院战略先导专项（B）、国家自然科学基金委和英国环境研究理事会（NERC）共同资助的中英合作项目的资助。
论文相关信息：The early Ediacaran Caveasphaera foreshadows the evolutionary origin of animal-like embryology’ by Z. Yin, K. Vargas, J. Cunningham, S. Bengtson, M. Zhu, F. Marone and P. Donoghue, Current Biology. https://doi.org/10.1016/j.cub.2019.10.057282019-11 -
内蒙古3亿年前“植物庞贝”发现左旋缠绕植物
“手性”一词指一个物体不能与其镜像相重合，如我们的双手，左右手虽然互为镜像，但大拇指与小拇指是无法重合的。“手性”广泛存在于宇宙中，大如银河星系，小至中微子的运动轨迹，都存在非对称的旋性，且很多都偏爱单一手性（左旋或者右旋）。植物也不例外，据文献报道，现生缠绕植物超过90%都偏爱右旋。然而，近日中国科学院南京地质古生物研究所的科研人员，在内蒙古约3亿年前“植物庞贝城”沼泽森林中却发现一种稳定左旋的缠绕植物。 相关研究成果于2019年11月19日在线发表于《细胞》出版集团《当代生物学》（Current Biology）杂志上。
现生缠绕植物主要存在于被子植物当中，其他还包括裸子植物买麻藤属以及真蕨植物的海金沙属植物。在地质历史中，尽管攀爬植物类型在中泥盆世很可能便已出现，但确切的缠绕植物化石全世界仅有一例报道于山东中新世1600万年前的“山旺植物群”中，可能是一种自缠绕的被子植物。
在内蒙古乌海市乌达煤田，因火山喷发活动，降落的火山灰原地埋藏了一距今约3亿年的沼泽森林。其保存方式与意大利庞贝城颇为相似，因此称之为中国“植物庞贝”。
近日，南京古生物所“植物庞贝”研究团队王军研究员、周卫明助理研究员、李丹丹博士与捷克西波西米亚博物馆Josef Psenicka及美国斯坦福大学Kevin Boyce教授等通过合作，在该沼泽森林群落中发现了一种新的缠绕植物化石。这是地质历史上第二例缠绕植物化石，该发现将植物缠绕习性的出现追溯至3亿年前的晚古生代。
由于“植物庞贝”特殊的三维立体保存方式，研究人员得以进一步对缠绕和宿主植物进行物种鉴定。通过对标本的包埋和切片，研究人员获取了两者的解剖结构信息。
结果显示，缠绕植物具C型维管束，应当属真蕨植物的叶轴。另一块同产地采集的缠绕化石连生的叶片表明该缠绕植物可能为一种回卷蕨类（Anachoropterid）的真蕨植物。有意思的是，现生的缠绕植物包括真蕨植物海金沙属，主要都是以右旋缠绕，但地质历史上的两例缠绕植物化石却都是左旋缠绕。这指引我们要想解决现代生物学中同手性的起源和演化问题，未来还需要古生物学家们在化石中寻找更多的线索。
另一方面，宿主植物具发育良好的次生木质部，通过详细的特征比对，研究人员进一步判断该宿主植物为一种华丽美木目（Callistophytales）的种子蕨植物。华丽美木目植物在以往文献中通常都认为是攀爬植物，当前化石中宿主植物的主茎也都非常狭细（4 mm和8 mm），主茎表明具刺，一些小羽片叶片狭缩，顶端发育有“吸盘”结构，种种证据表明当前宿主植物也具攀爬习性。
科研人员推测，缠绕植物和宿主植物在生活时期应当还一同攀爬在一棵树上，这种“双重攀爬”现象显示出早二叠世沼泽森林群落生态已经具有了非常高的复杂性。
相关研究得到中国科学院先导专项（B）、国家自然科学基金、现代古生物学与地层学国家重点实验室基金、中国科学院外国专家特聘研究员计划以及捷克基金会联合资助。
相关论文信息：Weiming Zhou, Dandan Li, Josef Psenicka, C. Kevin Boyce, Jun Wang*, 2019. A left-handed fern twiner in a Permian swamp forest. Current Biology. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cub.2019.10.005262019-11 -
白垩纪缅甸琥珀中发现最早的有花植物昆虫传粉证据
我们人类的大部分食物来自被子植物（开花植物），而90％以上的被子植物需要昆虫授粉。如此重要的授粉行为是什么时候开始在地球上出现的呢？中国科学院南京地质古生物研究所科研人员在缅甸琥珀中的新发现，为最早的被子植物虫媒传粉提供了直接证据。相关研究于2019年11月12日在线发表在《美国科学院院报》（PNAS）。
被子植物（有花植物）是当今最繁盛的植物类群。化石记录显示被子植物在白垩纪中期突然大量出现。达尔文将这一“反常现象”称为“讨厌之谜”。许多被子植物通过昆虫进行传粉（虫媒传粉），从而促进基因流动，形成高度的多样性。因此，昆虫传粉被认为是白垩纪中期被子植物大爆发的一个关键因素。尽管白垩纪中期昆虫和被子植物的种类已经较为丰富，但此时期被子植物虫媒传粉的直接证据却一直缺失。
南京古生物所“现代陆地生态系统起源与早期演化研究团队”的联培博士生包童（波恩大学与南京古生物所联合培养）在王博研究员的指导下，与李建国研究员和美国David Dilcher教授合作，在白垩纪中期（约1亿年前）缅甸琥珀中发现了真双子叶植物经花蚤科甲虫进行传粉的直接证据。该研究结果证实了许久以来学者们关于白垩纪甲虫是早期被子植物传粉者的猜想，填补了早期被子植物虫媒授粉证据的空白，为解答达尔文的“讨厌之谜”提供了一个关键证据。
该研究报道了缅甸琥珀中一个身体携带大量花粉的花蚤科甲虫，定名为缅甸访花花蚤（Angimordella burmitina）。该枚化石右侧被密集小气泡遮挡，只有左侧特征可被观察。研究团队利用高分辨率光学显微镜和显微断层扫描技术（显微CT）对花蚤身体形态进行分析，获得了高精度三维图像。琥珀花蚤的身体侧扁，并呈C型弯曲，后足极其发达适于跳跃。该体型非常适合在花冠上移动，从而高效地接触并携带花粉。此外，该花蚤口器的下颚须末节膨大，用于收集和取食花粉颗粒。
研究团队对琥珀标本精细打磨处理后，利用激光共聚焦显微镜和高倍光学显微镜的观察，发现花蚤的腹部、鞘翅和身体附近保存了至少62枚花粉颗粒，并确定了这些花粉属于典型的三沟型花粉。三沟型花粉指每个花粉颗粒上具三条辐射排列的沟，这也是真双子叶植物的重要鉴定特征。琥珀中这些花粉个体较大，表面有复杂纹饰，部分颗粒形成花粉团，揭示了早期被子植物虫媒花的花粉特征。
综合花蚤身体构型、口器形态、体毛特征、花粉形态等一系列证据，本研究确定此琥珀标本展现了白垩纪中期花蚤类甲虫对被子植物的传粉行为，揭示了早期真双子叶植物的虫媒传粉机制，并提供了白垩纪最早的被子植物虫媒传粉的直接证据。
甲虫是现今自然界中物种最丰富的昆虫类群，真双子叶植物也占据被子植物中的主体。甲虫等昆虫对真双子叶植物的传粉行为是维持现今陆地生态系统和人类农业生产正常运转的基础。该研究提供的证据表明真双子叶植物的虫媒传粉机制已经于1亿年前出现。
相关研究工作得到了中国科学院、国家自然科学基金委、国家科技部的支持。 南京古生物所殷宗军副研究员和吴素萍提供了显微CT的技术支持，方艳工程师提供了激光共聚焦显微镜的技术支持。
论文相关信息：Bao Tong, Wang Bo, Li Jianguo, Dilcher D. (2019) Pollination of Cretaceous flowers. PNAS, doi:10.1073/pnas.1916186116.262019-11 -
早期动物演化的研究取得新进展
长期以来，中国科学院南京地质古生物研究所和美国弗吉尼亚理工大学古生物学家团结合作，在早期生命研究领域取得了一系列的重要成果。最近，他们在动物的早期行为和早期海绵骨针的生物矿化方面又取得了新的进展，两项成果分别发表在Geology和Nature Communications上。
早期动物的行为受氧气控制
地球化学证据表明埃迪卡拉纪末期（551～539百万年前）海水经历了广泛的缺氧和剧烈的氧化还原条件的变化，这一变化直接影响动物的分布和行为。然而，通过化石反映这种变化的研究几乎没有。
近日，南京古生物所早期生命研究团队袁训来研究员、陈哲研究员、周传明研究员与弗吉尼亚理工大学肖书海教授合作研究，在Geology杂志上发表了题目为“Surfing in and on microbial mats: Oxygen-related behavior of a terminal Ediacaran bilaterian animal” 文章，认为早期动物的行为受海水中氧气含量的控制。
他们在三峡地区埃迪卡拉系灯影组发现的遗迹化石新属种Yichnus levis，由一系列不连续的纺锤形潜穴组成。通过分析，推测Yichnus levis代表了动物不断地钻入和钻出藻席层的行为，这一行为可能与当时海洋底层藻席产氧有关。虽然埃迪卡拉纪大气中氧含量已明显增加，但氧含量水平存在着明显的短期波动。新发现的遗迹化石穿插在藻席层中，水体中与藻席层中氧含量的差异（现代藻席层中的日夜含氧量变化异常明显）可能导致了该造迹动物在藻席层和水体间进行规律的反复运动。
遗迹化石Yichnus levis化石及其切片
论文相关信息：Shuhai Xiao*, Zhe Chen, Chuanming Zhou, Xunlai Yuan*, Surfing in and on microbial mats: Oxygen-related behavior of a terminal Ediacaran bilaterian animal. Geology doi: https://doi.org/10.1130/G46474.1
早期海绵骨针的生物矿化
海绵是地史上最早出现的动物之一。硅质或钙质骨针是古生物学家识别海绵化石的重要标志之一，寒武纪至现今的大部分海绵具有矿化骨针，但是，海绵骨针是如何出现、何时出现一直存在争议。
近日，南京古生物所早期生命研究团队万斌副研究员和袁训来研究员参与的一项中美国际合作项目取得重要进展，在Nature Communications杂志上发表了题为“Spiculogenesis and biomineralization in early sponge animals”的文章，为认识海绵骨针的早期演化提供了新的证据。
该文报道了一类体型较小、以碳质压膜形式保存的海绵化石新属种：精美瓶状海绵Vasispongia delicata。化石产自安徽省休宁县寒武纪早期的荷塘组黑色泥岩中。不同于常见的发育完全矿化骨针的海绵动物，这类海绵化石的特别之处在于其骨骼主要是由微矿化的硅质骨针以及完全没有矿化的有机质骨骼组成。因此，它有可能代表了一类处于完全没有矿化骨针的海绵动物和发育完全矿化骨针的海绵动物之间的过渡类型。这类化石的发现印证了海绵骨针中有机大分子对生物矿化硅的形成起到了关键的调节作用；而最早的海绵动物可能个体很小，并且没有发育矿化古骨针，而是发育有机质的骨骼。该发现为古生物学家今后寻找前寒武纪的海绵动物化石提供了新的指导思路：或许那些在前寒武纪以碳质压膜形式保存的疑似海绵动物的化石，值得被重新关注。
以碳质压膜形式保存的海绵化石精美瓶状海绵Vasispongia delicata（a）及其发育的主要为有机质成分的微矿化骨针（包括保持精美的轴丝；b）
论文相关信息：Qing Tang, Bin Wan, Xunlai Yuan, A.D. Muscente, Shuhai Xiao*, 2019. Spiculogenesis and biomineralization in early sponge animals. Nature Communications 10, 3348.
相关研究得到中国科学院科技先导专项（B类）、中国科学院重点项目、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、现代古生物学和地层学国家重点实验室基金、美国地质学会和美国国家科学基金会的联合资助。102019-10 -
华北发现寒武纪珍稀节肢动物西德尼虫
西德尼虫（Sidneyia）是寒武纪布尔吉斯页岩生物群中最具代表性的节肢动物之一，曾被认为是布尔吉斯页岩生物群中的高级掠食者，一直以来其系统学与解剖学等相关研究都受到学界的广泛关注。然而自1911年被报道以来，确定的西德尼虫化石仅在加拿大寒武纪布尔吉斯页岩生物群中被发现。
近日，中国科学院南京地质古生物研究所赵方臣研究员与其硕士研究生孙智新等通过对华北寒武纪地层软躯体动物化石的不懈探索，在华北寒武纪中期馒头组中发现了珍稀节肢动物西德尼虫。这一发现不仅代表了西德尼虫这一布尔吉斯页岩生物群的代表性动物在劳伦板块之外的首次发现，而且也是在华北板块上首次发现典型的寒武纪布尔吉斯页岩型化石。该成果近日发表在国际地学综合性期刊Geological Magazine上。
此次在山东发现的西德尼虫化石保存非常完整，保存了附肢等软躯体结构，其保存方式和化石形态学特征均与布尔吉斯页岩生物群中的西德尼虫的模式种基本相同，但鉴于山东标本仍有一些形态学信息缺失，因此将其归属为模式种的近似种Sidneyia cf. inexpectans。这一发现不仅极大扩展了此类物种的空间分布，更重要的是揭示了华北地区典型的寒武纪布尔吉斯页岩型化石宝库的存在。
寒武纪特异埋藏化石库是研究“寒武纪大爆发”的直接化石证据和认识早期生命演化的重要窗口，近些年来，华南的寒武系中发现了一系列典型特异埋藏软躯体化石宝库（如澄江生物群、清江生物群、关山生物群、凯里生物群等）。比较而言，华北的特异埋藏化石虽然已有发现，但仍然缺乏具有布尔吉斯页岩型保存质量的代表性化石。西德尼虫代表了典型的布尔吉斯页岩型化石，它的发现预示着华北地区特异埋藏化石库研究的巨大潜力，且一直以来寒武纪中期全球特异化石库基本均发现在劳伦板块，华北板块寒武纪中期特异埋藏化石的进一步发现与研究将促进对这一时期全球生物面貌与演化的认识，具有非常重要的科学意义。
本项研究得到现代古生物学和地层学国家重点实验室、中国科学院先导专项B类共同资助。
论文相关信息：Sun, Z.X., Zeng, H., Zhao, F.C.*, 2019. First occurrence of the Cambrian arthropod Sidneyia Walcott, 1911 outside of Laurentia. Geological Magazine, https://doi.org/10.1017/S0016756819000864.292019-09 -
祁连山东段奥陶纪笔石的再研究取得新发现
祁连山东段在古地理上很可能属于华北古陆东北缘，构造运动强烈，在古地理上具有非常重要的意义。祁连山东段的奥陶纪笔石标本最初由甘肃地质调查局张有魁采集于甘肃省武威市天祝藏族自治县附近的5条剖面，并且由穆恩之院士等报道。这批标本保存在中国科学院南京地质古生物研究所。但是，最初的报道中所建立的大部分新属种并没有进行详细的描述，实为裸名。而祁连山东段多为无人区，采集笔石非常不易，因此，目前保存在南京古生物所的笔石标本便显得尤为珍贵，也非常有必要及时对这批标本开展再研究。
最近，南京古生物所陈旭院士、陈中阳博士等，联合美国纽约州立大学布法罗分校Charles E. Mitchell教授，对这批标本进行了再研究。总共鉴定并描述了13个属，27个种，包括本研究中所建立的1个新属——Alulagraptus小翅笔石属。根据所鉴定的笔石物种，可以将产出地层（天祝组、斯家沟组和斜壕组）划分为4个生物地层单元：Amplexograptus maxwelli层、Diplacanthograptus geniculatus-Orthograptus quadrimucronatus层、Anticostia macgregorae层和Appendispinograptus longispinus笔石带，时代为桑比晚期至凯迪期。研究认为，该地区笔石动物群与同时期其他地区（如扬子地区）的差异是由生态因素造成的，而非由生物地理隔离导致的。
论文于近期在线发表在国际古生物学期刊Journal of Palaeontology上。本项研究得到了中国科学院战略性先导科技专项、国家科技重大专项和国家自然科学基金的资助，是国际地学计划IGCP 653的阶段性成果。
论文相关信息：Chen, X.*, Chen, Z.Y., Mitchell, C.E., Chen, Q., Zhang, L.N. A restudy of the Sandbian to Katian (Upper Ordovician) graptolites from the East Qilianshan (Chilianshan), Northwest China. Journal of Palaeontology, https://doi.org/10.1017/jpa.2019.55252019-09 -
中国的大戟科花粉形态学研究取得新进展
近期，中国科学院南京地质古生物研究所毛礼米研究员、中国地质调查局青岛海洋地质研究所杨士雄副研究员、中山大学郑卓教授等合作研究了中国南方地区大戟科（4亚科21属34种）花粉形态类型，为化石花粉分析补充了重要的参考与现代对比资料。该成果“Pollen atlas for the selected subfamilies of Euphorbiaceae from southern China: a complementary contribution to Quaternary pollen analysis”在线发表于AASP The Palynological Society的期刊Palynology。
广义的大戟科（Euphorbiaceae）植物具有丰富多样的类群（6亚科300多属），物种数量多（8000多种），主要分布于热带和亚热带地区，其生活型与生境差异显著，有高大的热带树木到藤本、灌木，有一年生到多年生草本，也有多肉类型到水生植物类型。
在中国，大戟科有75属约400多种，但目前仅有约40属60多种植物的花粉得到形态学研究与描述，有些属的花粉形态类型又具有高度的多样性，比如Euphorbia，Phyllanthus等。因此，现代花粉形态研究的不足制约了化石花粉的准确鉴定与归类，从而导致了基于花粉分析的古植被、古生态与古气候解释的偏差甚至错误。
为了提高研究地史期间大戟科植物类群的系统分类与演化、古植物地理环境与古气候解释的精度，有必要开展大戟科的花粉形态的补充研究。
本研究取材于中国南方地区野外现生标本与标本馆的蜡叶标本，进行了详细的光学显微形态学观察，获得了高分辨率的显微图像。研究系统描述了34种花粉形态特征，总结了主要亚科的花粉形态类型与鉴别特征。
研究发现4个亚科（Acalyphoideae, Crotonoideae, Euphorbioideae, Phyllanthoideae）的花粉形态在形态与大小上均具有明显的多样性，形态上从球形、扁球形和长椭球形等；根据萌发孔沟的数量，可以分为无萌发孔类型（Inaperturate type）、三孔孔类型及亚类型（Tricolporate type以及subtypes）、四孔沟类型（Tetracolporate type）和多孔沟类型类型（Polycolporate type）；根据萌发孔与沟的形态特征，可见“窄十字型”与“宽十字型”，还有其它亚类型；花粉大小差异明显，粒径从13.5 μm 到 75 μm ，但大部分花粉均小于30 μm；花粉外壁纹饰结构多样，有疣状构成的网状排列模式、不同网眼大小与纹饰组成的网状结构、颗粒-模糊的网状结构等。
针对这些形态学特征，该研究详细讨论了部分亚科的属间和种间花粉类型鉴别的可能性局限性，为地层的化石花粉鉴定，特别是第四纪的大戟科花粉类型鉴定与归类提出了参考性建议。
该研究得到国家自然科学基金项目等资助。
论文链接：Shixiong Yang, Limi Mao*, Zhuo Zheng*, Bishan Chen, Jie Li. Pollen atlas for the selected subfamilies of Euphorbiaceae from southern China: a complementary contribution to Quaternary pollen analysis. Palynology, https://doi.org/10.1080/01916122.2019.1658235172019-09 -
五亿年前化石揭示蝎子蜘蛛等螯肢类动物起源
螯肢动物是包括蝎子、蜘蛛、蜱螨和鲎等在内的超过11.5万个物种的庞大节肢动物类群，对于寒武纪大爆发期间该类群动物是否已经起源一直不是很清楚。近日，中国科学院南京地质古生物研究所朱茂炎课题组法国籍博士后塞德里克·阿里亚（Cedric Aria）和加拿大安大略皇家博物馆同行合作，在寒武纪中期布尔吉斯页岩动物群中发现了一种莫里森虫（Mollisonia plenovenatrix）新物种，代表了目前已知最古老的螯肢类节肢动物。这项研究将包括螯肢动物的起源时间提前到了5亿年前。相关发现于2019年9月11日在线发表于国际著名科学期刊《自然》（Nature）杂志。
尽管只有拇指大小，但莫里森虫很可能是凶猛的捕食动物。它长有一双卵形大眼睛、具长步行肢以及分别执行感觉、抓握、粉碎和咀嚼功能的多对附肢的“多功能”头部。但最重要的是，莫里森虫在其口部前方发育有一对小型的钳状附肢，称为“螯肢”。这对典型的附肢使得蝎子和蜘蛛等节肢动物能够击杀、夹持和切碎猎物，并以此命名这类节肢动物为“螯肢动物”。
莫里森虫标本展现了确凿的“螯肢”特征。在这项发现之前，尽管一部分寒武纪节肢动物具有明显的似螯肢类特征，但螯肢类最典型的“螯肢”尚未在寒武纪化石中得到证实。此外，莫里森虫身体后部的附肢上具有三片鳃一样的构造，这和螯肢类身体后部成对的特化呼吸器官“书鳃”或“书肺”相似。这进一步表明莫里森虫尽管是原始的螯肢类，但和现代的螯肢类在形态上已相当接近。
莫里森虫具有相当发育的步行足，因而被认为是生活在海底的捕食动物。由于莫里森虫和现代螯肢类形态相近，说明螯肢类节肢动物可能在寒武纪快速出现并迅速占据了其它节肢动物涉足较少的海底生态位。而螯肢类的起源很可能发生在寒武纪的更早期，即动物的“寒武纪大爆发”真正发生的时候。
莫里森虫最早在一个世纪前由美国著名古生物学家查理斯·沃科特发现于加拿大的布尔吉斯页岩。然而，之前这类动物只有外骨骼被发现。此次的新研究采用了布尔吉斯页岩新化石点“大理石谷”的化石标本，保存了比沃科特发现的化石更精美的信息，首次揭示了莫里森虫的附肢等其它软躯体，进而揭示了莫里森虫的亲缘关系。
这项发现进一步强调了寒武纪化石库的科学重要性。加拿大布尔吉斯页岩和中国澄江生物群等寒武纪化石库的核心重要性在于保存了“寒武纪大爆发”中快速多样化的动物身体造型和最早的海洋动物群落。这些著名化石充分展现了动物的软躯体形态特征，这包括附肢、眼睛、消化道甚至神经组织，就像莫里森虫中展现的那样。
相关研究得到包括中国科学院国际人才计划和中国博士后科学基金等的多国经费支持。
论文相关信息：Cédric Aria1 & Jean-Bernard Caron, 2019. A middle Cambrian arthropod with chelicerae and proto-book gills. Nature. DOI 10.1038/s41586-019-1525-4. https://www.nature.com/articles/s41586-019-1525-4122019-09 -
新化石揭示寒武纪大爆发前夕动物的重要演化事件
身体两侧对称和分节现象的产生是动物演化史上极为重要的事件。分节的出现意味着身体的结构有了分区，功能上也就有了分工。但是，这类体型复杂的动物何时出现？自达尔文以来，一直是古生物学家和演化生物学家关注的焦点。
“寒武纪大爆发”中出现了大量的以三叶虫为代表的具分节的两侧对称动物，因此，寒武纪常被称为“三叶虫时代”，长期以来，大家推测在寒武纪之前的埃迪卡拉纪（中国称为“震旦纪”，6.3-5.4亿年前），它们应该有更加古老的祖先，但是一直没有找到可靠的化石证据。
近期，中国科学院南京地质古生物研究所早期生命团队陈哲研究员、周传明研究员、袁训来研究员和弗吉尼亚理工大学肖书海教授在中国三峡地区大约5.5亿年前的地层中发现了一类特殊保存的新的动物化石，该动物的遗体和它最后行进的拖痕（印迹）同时保留在一块岩石上。这一新的化石证据表明在埃迪卡拉纪已出现了具有运动能力、并且身体分节的两侧对称后生动物。该成果以“分节的三叶形两侧对称动物及其遗迹揭示早期动物的演化”为题发表在2019年9月4日的英国《自然》（Nature）杂志上。
化石发现于湖北三峡地区埃迪卡拉系灯影组的石板滩生物群中。自2013年开始，科研人员用了近5年的时间对新发现的化石进行详细的研究，并将其命名为夷陵虫（Yilingia，新属）。
夷陵虫身体长条形，两侧对称，呈三叶形，具有明显的身体分节，也具有了前后和背腹的区别。更加奇特的是，部分标本中动物的实体与它的遗迹同时保存在一起，再现了一条行进中的虫子的“最后时刻”。这是一类全新的动物化石，在地质历史时期和现代都没有发现形态相同的动物，研究者以它的发现地点湖北省宜昌市夷陵区给它取了一个新名字“夷陵虫”，推测可能是环节动物或节肢动物。
传统的埃迪卡拉生物群曾被认为是身体没有真正分节、缺乏运动能力、走向演化盲端的生物类群。虽然在埃迪卡拉纪也发现了许多生物运动产生的遗迹化石，但是，造迹生物是什么一直是一个谜。
夷陵虫是目前在寒武纪之前发现的唯一的身体分节，具有运动能力，并可以形成连续的遗迹的两侧对称动物。夷陵虫的发现为两侧对称动物身体分节在埃迪卡拉纪的出现提供了直接的化石证据，也为探索该时期众多遗迹化石的造迹者提供了重要证据。
该发现也显示，能够自由运动的底栖动物在埃迪卡拉纪已经出现，并对海底沉积物进行了改造。表明“寒武纪大爆发”时期以底栖动物为主体的生态系统在这一时期已经开始建立，并逐渐取代了前寒武纪统治地球数十亿年的微生物席基底，对地球表面系统造成了深远的环境和生态影响。
该项目得到了中国科学院、国家科技部、国家自然科学基金委、美国自然科学基金和美国国家地理学会的联合资助。
论文信息：Zhe Chen, Chuanming Zhou, Xunlai Yuan*, Shuhai Xiao*, 2019, Death march of a segmented and trilobate bilaterian elucidates early animal evolution. Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-019-1522-7
部分媒体报道：
Nature：https://www.nature.com/articles/d41586-019-02556-x
Science：https://www.sciencemag.org/news/2019/09/ancient-wormlike-animal-caught-its-tracks-sheds-light-early-locomotion
New Scientist：https://www.newscientist.com/article/2215291-540-million-year-old-worm-was-first-segmented-animal-that-could-move/
Newsweek：https://www.newsweek.com/ancient-worm-tracks-evolution-life-1457624
新华社：http://www.xinhuanet.com/tech/2019-09/05/c_1124962278.htm
中国科学报（头版）：http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2019/9/349301.shtm
科技日报（头版）：http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2019-09/05/content_430112.htm?div=-1
052019-09 -
新模型解释地球早期缺氧海洋如何被氧化
已有研究表明，早期地球是极端缺氧的。为什么地球早期大气和海洋的氧气含量长期保持在低水平，在5.8—5.2亿年前后却发生了快速增加呢？9月2日，中英两国科学家在《自然-地球科学》（Nature Geoscience）发表论文，认为大规模造山运动将大量蒸发岩输入海洋，蒸发岩作为大洋的氧化剂，使得寒武纪大爆发之前普遍缺氧的深部大洋得以氧化，从而导致大气和海洋中氧气含量快速增加，为地球大型复杂多细胞生命的快速演化奠定了基本条件。
不久前的2019年5月6日，由中国科学院南京地质古生物研究所朱茂炎研究员和英国伦敦大学学院Graham Shields教授领衔的中英国际合作团队在《自然-地球科学》上发表论文，证明动物在大约5.2亿年前后阶段性的快速辐射演化（寒武纪大爆发）受到大气和海洋中氧气含量的控制。但是，这一研究并没有回答大气和海洋中氧气含量的变化又受到什么控制的问题。
地球历史上曾发生过2次大气快速增氧事件，大气中的氧气才基本达到现代水平。第一次大氧化事件发生在距今大约24亿年前后，大气中的氧气达到了现代大气氧含量的1%水平，导致真核生物在地球上首次出现。但随后长达十几亿年的时间内大气氧含量并没有增加，甚至还低于第一次大氧化事件时期的水平，从而阻碍了多细胞真核生物的演化。直到距今5.8—5.2亿年前后，地球发生第二次大氧化事件，大气中的氧含量增加到现代大气氧含量的60%以上的水平，大洋也全部氧化，导致多细胞真核生物大辐射，以及动物的快速起源和寒武纪大爆发。
对于前寒武纪海洋中的氧含量为什么长期很低的问题，目前学界有一个理论模型，即“有机碳库模型”。该模型认为前寒武纪海洋表层透光带内进行光合作用的微生物主要是原核生物，这些微生物死亡后的有机质易于氧化降解，在海水中不断积累，大量消耗海水中氧气，从而导致了海水的缺氧。也就是说前寒武纪海洋中存在一个巨大有机碳库，阻止了海洋和大气中氧含量的增加。前寒武纪这种缺氧的海洋就像一个现代的巨大沼泽池，水体中大量腐殖有机质不断消耗着氧气，因而水体浑浊并缺氧。只有当这个浑浊并缺氧海洋得到氧化，大气和海洋的氧气含量才能够增加。
但是，浑浊缺氧的前寒武纪海洋是如何变得清澈富含氧气的呢？目前流行的假说是“生物与环境协同演化模型”。这个模型认为当海水中氧气含量达到原始动物生存的最低需求时，如海绵动物一旦出现，就通过捕食海水悬浮有机质，加速了海水有机质的消耗和埋藏，减少了海水中氧气的消耗，最终导致了海洋和大气中氧气的增加。随着氧气含量的增加，微型浮游动物和复杂动物的出现形成复杂的食物网，大量消耗海水中有机质，并通过动物大颗粒排泄物和尸体的形式进入沉积物，大大提高了有机物埋藏的效率，形成了动物演化与氧气增加的正反馈机制。这种正反馈机制最终将表现为氧气增加的线性加速，而这与5.8—5.2亿年前后大气和海洋氧气含量多次大规模波动，生物发生阶段性辐射演化的实际情况却是不一致的。
本次研究中，朱茂炎等中英合作团队通过分析9亿年以来全球海水碳酸盐的碳同位素（δ13C）演变过程发现，前寒武纪海洋中的有机碳库在5.7亿年之后明显减少，表明这个时期深部海洋已经开始氧化。直接的证据是，在9-5.4亿间的前寒武纪晚期，海水中的碳同位素（δ13C）值出现多次巨大的负异常变化，这种现象在寒武纪大爆发之后彻底消失（图1）。其中，发生在5.7亿年前的一次碳同位素（δ13C）负异常事件是地球历史上规模最大的一次。
该研究团队提出了一个新的地球系统模型解释了这一现象。他们认为，5.7亿年前后地球上的主要大陆通过拼合形成了一个冈瓦纳超大陆和位于超大陆内部的超级中央造山带，将8亿年前后大量沉积的蒸发岩矿物风化剥蚀输入海洋。富含硫酸盐的蒸发岩是一种氧化剂，可以通过硫酸盐还原菌对海水中的有机质进行氧化，形成黄铁矿埋藏在沉积物中，导致当时海洋中有机碳库快速减少。同时，海洋中有机碳的快速氧化，向大气排放大量CO2，进一步导致大气升温，加强了陆地风化作用和蒸发岩向海洋的输入量，海洋中有机碳库进一步被氧化，形成一个海洋氧化的正反馈作用机制，使得大气和海洋中的氧气快速增加。有机质氧化后向海水释放碳同位素偏轻的无机碳，结果海水中的碳同位素（δ13C）值变得越来越轻（图2）。该模型得到冈瓦纳大陆形成之前的大量蒸发岩沉积记录的支持。通过数学模型计算，海洋有机碳库氧化需要的蒸发岩向海洋的输入通量与新生代青藏高原隆起后蒸发岩输入海洋的通量相当，支持了新模型的合理性。
这个新的模型与该时期生物的阶段辐射演化模型更加契合。跟传统的生物与环境协同演化模型不同，新模型强调了地球内部过程引起的岩石圈的运动是地球表层系统发生革命性改变的原始驱动力。新模型不仅验证了前寒武纪海洋中巨大有机碳库存在的假说，还为海洋中巨大有机碳库的变化控制着前寒武纪末期地球多次大规模冰期发生的假说提供了支撑。因为海洋中巨大有机碳库如果不被氧化，大气中的CO2就会不断降低，气候就会变得越来越冷。而构造驱动的海洋有机碳库的氧化，向大气中排放大量CO2，气候就变得越来越暖。正是由于海洋的氧化，海洋中有机碳库变小，它作为气候的调节器作用也就减弱，寒武纪之后的地球再也没有发生过类似前寒武纪的“雪球地球”那样的极端冰期气候事件。
该研究得到国家自然基金（NSFC）与英国环境研究理事会（NERC）共同资助的中英国际合作重点项目（41661134048）和中科院战略先导专项（B）项目（XDB18000000，XDB26000000）的资助。
论文信息：Shields, G. A.*, Mills, B. J. W. *, Zhu, M.*, Raub, T. D., Daines, S., Lenton, T. M., 2019. Unique Neoproterozoic carbon isotope excursions sustained by coupled evaporite dissolution and pyrite burial. Nature Geoscience, https://doi.org/10.1038/s41561-019-0434-3032019-09