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澄江生物群群落生态学研究取得新进展
我国云南的澄江生物群是迄今为止全球寒武纪最早的布尔吉斯页岩型特异埋藏化石群,以大量精美保存的软躯体后生动物化石而举世闻名。澄江生物群展示了5.2亿年“寒武纪大爆发”时期奇妙的海洋生物面貌,是研究“寒武纪大爆发”演化事件最为重要的化石宝库之一。
众所周知,群落生态学研究对于了解生物之间相互作用和群落演化机制至关重要。因此,近年来“寒武纪大爆发”时期生物多样性和群落生态研究倍受学术界关注。自1984年以来,澄江生物群中众多具有现生门类特征的生物化石的发现显示现代动物门一级的生物快速出现在寒武纪的化石记录中,这为研究寒武纪大爆发理论奠定了坚实的材料基础。那么在寒武纪早期的海洋里,生态群落的整体面貌究竟是什么样的呢?它和现代海洋的生态群落面貌是否可以类比呢?这一系列的科学问题都有待我们去探索和回答。难能可贵的是,我国澄江生物群在开展回答这些问题的相关研究工作方面具有得天独厚的优势,因为澄江生物群大量原位埋藏的软躯体化石组合在揭示以澄江生物群为代表的寒武纪早期海洋生物群落方面具有巨大的潜力。
最近,我所朱茂炎研究员团队成员赵方臣副研究员等人在国际著名古生物学学术期刊Paleobiology上发表了澄江生物群群落生态学的最新研究成果。研究人员在澄江化石保存核心地区海口马房剖面进行了系统化石发掘,获得了10组化石组合总共10,238化石个体,并首次基于这些化石的丰度数据进行了详细的定量古群落分析。
该项研究描述了以海口地区化石为代表的澄江生物群物种组成和结构特征,揭示了化石组合之间相对稳定物种组成和种群分布特征,并指出澄江生物群中生态功能群主要以底栖活动捕食或食腐生物、底栖固着滤食生物、内栖活动捕食或食腐生物为主,分别以节肢动物、腕足动物、曳鳃动物为代表。研究数据表明澄江生物群由丰富多样的门类和大量具有不同复杂生态功能的物种组成, 证实了寒武纪早期物种间高强度捕食压力不仅已经存在,而且还形成了由多层次营养级结构构成的金字塔式复杂食物网。这一结论表明具有现代意义上的海洋群落生态系统在寒武纪初期就已经出现。
在此基础上,研究人员将澄江生物群数据和中寒武世布尔吉斯页岩生物群的相关数据进行了对比,发现两个生物群具有相似多样性指数值范围和生态功能群比例关系,证明在寒武纪生态群落演化的初期他们已经具有相同的生态演化机制和相对稳定群落结构。
研究获得了中国科学院知识创新工程方向性项目,国家重点基础研究发展计划项目和国家自然科学基金的资助。
论文相关信息:Zhao, F.C., Caron, J.B., Bottjer, D.J., Hu, S.X., Yin, Z.J., Zhu, M.Y. 2013. Diversity and Species Abundance Patterns of the Early Cambrian (Series 2, Stage 3) Chengjiang Biota from China. Paleobiology, 40(1), 24-44. DOI: 10.1666/12056.
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瓮安生物群中发现正处于细胞分裂期的动物胚胎化石
瓮安生物群是发现于我国贵州瓮安磷矿区埃迪卡拉纪陡山沱组上磷矿段的一个磷酸盐化特异埋藏化石库。其中以三维立体形态保存的动物胚胎化石,作为迄今为止全球最古老的后生动物化石记录之一,为人们了解后生动物的起源和早期演化历程提供了精美绝伦的研究材料。自1998年以来,瓮安生物群就以动物化石的发现而引起了国际古生物学界的广泛关注。不过,这些动物胚胎化石的生物学属性仍然存在一些争论。2011年曾有学者将这些动物胚胎化石和一种具有palintomic cleavage的原生生物进行对比(palintomic cleavage是指细胞分裂过程中,随着分裂进行生物体并不长大,而子细胞的数量越来越多、体积却越来越小),认为瓮安生物群中之前被解释为动物胚胎的化石可能是比多细胞动物低等的原生生物。然而这一假说因将多细胞藻类和动物胚胎化石混为一谈而遭到了诸多国内外同行的质疑。
最近我所朱茂炎研究员团队成员殷宗军博士等人在瓮安生物群中发现了一类呈橄榄状的化石标本。这类标本和之前被解释为动物胚胎的球形化石标本一样,发育有带复杂表面装饰的外包膜(壳)。然而它们拉长的形态以及表面装饰随着标本拉长而在赤道区发生规则的生物学变形不禁让人联想起动物胚胎进行第一次有丝分裂时的形态变化。为了验证这些标本究竟是否是正处于第一次细胞分裂期间的化石,研究人员使用了当前最先进的三维无损成像手段——同步辐射相位衬度显微断层成像技术,对这些标本进行了三维结构重建。三维结构重建数据显示,每一颗标本内部均可见两个完整的卵裂球。不同标本因长短轴比不同,内部两个卵裂球之间接触的紧密程度也不同。而这一特征恰好与动物胚胎在首次有丝(细胞)分裂不同阶段的形态相吻合。这一发现一方面表明瓮安生物群中某些拉长的标本内部并没有包含成千上万的孢子细胞,它们可能是处于首次细胞分裂阶段的动物胚胎,而不是处于孢子释放阶段的原生生物;另一方面也支持了胚胎化石带多边形状表面装饰的外包膜(壳)并非滞育卵囊胞的观点。
另外,细胞(有丝)分裂作为一个持续时间非常短暂的生物学过程(不同类群的动物胚胎单次细胞分裂时间从几秒到几个小时不等),被捕获并精美地保存在化石里,这本身就是个令人惊讶的埋藏学现象。那么在这神奇的现象背后究竟存在怎样的秘密呢?研究人员发现,瓮安生物群中同一层位的动物胚胎化石保存质量参差不齐,有些标本保存了完好的细胞甚至亚细胞结构,而有些标本则腐烂严重,胚胎生物学结构破坏殆尽,可见很多磷酸盐化的微生物丝状、球状体等。根据保存质量的不同,这些化石被划分保存质量精美、保存质量一般、保存质量较差等三个埋藏级别。在此基础上结合前人现代埋藏学实验的结论,研究人员概述了这三个不同埋藏级别的化石各自的埋藏过程,并提出假说认为,间歇性热泉或/和涌升流等区域性的地质事件,很可能是快速杀死当时生活在浅海区的动物胚胎的元凶。
该研究获得了国家重点基础研究发展计划项目和国家自然科学基金的资助。相关成果已在线发表在地学综合性学术期刊Gondwana Research上。
论文相关信息:Yin Zongjun, Liu Pengju, Li Gang, Paul Tafforeau, Zhu Maoyan*.Biological and taphonomic implications of Ediacaran fossil embryosundergoing cytokinesis.Gondwana Research.
瓮安生物群中拉长的胚胎化石标本
拉长标本的内部结构
拉长标本的内部结构
动物胚胎化石的埋藏模式简图
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5.2亿年前动物已进化出“好视力”
眼睛的起源与演化一直是科学界为之着迷的科学问题。眼睛具有令人费解的精细结构和扑朔迷离的演化历程。达尔文在其著作《物种起源》中,对于眼睛的进化是否也适合自然选择理论发出了这样的感慨:“如果假定眼睛能由自然选择而形成,我坦白承认,这种说法听起来确实有点荒诞不经。”
然而,早期后生动物眼睛的出现和演化也被认为是“寒武纪生命大爆发”的重要推动因素之一。不幸的是,由于眼睛主要由软体组织构成,它很难像骨骼那样形成化石保存下来,尤其是早期生命演化阶段,化石更是极其稀少。这使得眼睛的诞生和演化过程长期以来一直是未解之谜。
近日,我所赵方臣副研究员和朱茂炎研究员等在寒武纪澄江生物群化石的发掘和研究中,发现了保存完好的复眼化石。该化石复眼由多达2000个小眼构成,并具有相对大的小眼组成的敏锐带,这种复眼特征已经与现生具有高清晰图像解析能力的昆虫或甲壳动物的眼睛十分相似。是最早的关于后生动物复眼的宏观证据,表明在寒武纪生命大爆发多门类生物出现的同时,其精细的神经结构也已经演化到惊人的阶段,揭示了寒武纪早期节肢动物已经拥有高度发达的视力。
该研究同时对澄江生物群中具有眼睛物种进行了统计分析,结果显示具有眼睛的动物90%以上都为节肢动物,它们大多都是主动猎食者,主控着整个寒武纪海洋(节肢动物占到整个动物群40%以上)。这一结果支持了眼睛的出现和复杂化是促使生物多样性增加以及生存竞争和捕食压力增加的一个重要因素。来自澄江生物群的化石揭示了寒武纪动物已经拥有多样和复杂的眼睛,表明在寒武纪时期动物身体形态革新的同时,其内部神经器官也进化到了新的阶段,凸显了寒武纪生命大爆发的快速性。寒武纪澄江生物群也为进一步揭示眼睛起源与进化提供了难得的研究材料。
相关成果近期发表在Nautre出版集团旗下的国际综合性学术期刊Scientific Reports上。研究获得了中国科学院知识创新工程方向性项目,国家重点基础研究发展计划项目和国家自然科学基金的资助。
论文相关信息:Zhao Fangchen, Bottjer D., Hu Shixue, Yin Zongjun, Zhu Maoyan. 2013. Complexity and diversity of eyes in Early Cambrian ecosystems. Scientific Reports. 3, 2751; DOI:10.1038/srep02751.
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追索海桑属古生物地理演变历史
——基于化石花粉与现生类型的对比研究
现生海桑属(Sonneratia)归为千屈菜科的单型属海桑亚科(monogeneric subfamily),分布于东非至热带亚洲、澳大利亚北部及太平洋岛屿即旧热带,是组成热带海岸红树林的关键类群之一(插图1)。弗氏粉(Florschuetzia)是海桑属花粉的祖先类型已广为接受,但早期弗氏粉的类型及其古植物地理分布的解释仍存争议。
近日,我所毛礼米博士与马来西亚理工大学的Swee Yeok Foong博士撰文报道了海桑属的古生物地理演变历史。研究题材主要来自海桑属不同演化阶段的代表性化石花粉类型及其地理分布信息、现生类型的形态对比结果等。
该研究基于文献数据和更新的化石记录与现代对比研究,重新评价和分析了海桑属自古近纪到第四纪的古生物地理演变历史:弗氏粉广泛分布于环特提斯海的古热带始新世至中新世地层中,海桑属的祖先类型可能起源于早始新世的东南亚地区,随之向北辐射并逐渐扩展至中国和日本、向南至澳大利亚、向西至东非。在中新世早-中期的暖期阶段,弗氏粉已经演变成与现代海桑属具有清晰形态对比性的类型(插图2),此时海桑属的古植物地理分布纬度界限与分布面积达到最大,尤以丰富的化石花粉数量与具有明显形态分化的类型为证(比如日本西南地区的化石花粉),而且海桑属花粉和其它红树林群落成份的花粉产出地点的纬度界限远远超出现代海桑属的地理分布北纬制限(插图2)。进入第四纪的冰期,尤其是晚更新世的末次盛冰期彻底改造了海桑属的古地理分布,从而形成了现代海桑属的生物地理格局。需要指出的是,海桑属化石花粉的产出地点的分布与数量、化石花粉的变异类型和中间类型的演化阶段信息决定了其古生物地理演变历史解释的精度与质量,该研究也讨论分析了微体化石证据的局限性,期待古植物大化石证据的支持。
论文相关信息:Mao, L., Foong, S.Y., Tracing ancestral biogeography of Sonneratia based on fossil pollen and their probable modern analogues. Palaeoworld (2013), http://dx.doi.org/10.1016/j.palwor.2013.09.002
插图1 现代海桑属Sonneratia植物(左)及其不同种类的地理分布格局(右)
插图2 从弗氏粉Florschuetzia到海桑属花粉的地史演变推测 (左)、古生物地理分布(右)
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我所GBDB数据库建设取得新进展
古生物学和地层学数据库建设是我所创新2020的重要研究方向之一,也是现代古生物学和地层学国家重点实验室支持的新兴研究方向之一。
我所樊隽轩研究员等人于2006年创建了GBDB数据库(Geobiodiversity Database,http://www.geobiodiversity.com/),并于2007年开始提供在线服务。该数据库是一个基于互联网、数据库和GIS技术的古生物学和地层学多用户协同的数字化科研平台,面向全球用户提供免费的在线服务。数据库在数据结构上以“剖面”为核心,将古生物系统分类数据与各类地层数据、化石产出记录、地理位置数据、文献数据等有机地融合为一体,同时支持系统分类学和地层划分上的不同观点数据的集成。目前,结合科学研究、教学和生产应用的需求,GBDB平台中已集成了地理可视化、地层可视化、野外露头360度全景可视化、定量地层对比、古地理分析、古生物多样性统计等多种分析工具和应用功能,可用以辅助开展年代地层学、定量地层学、生物地层学、演化古生物学和古地理学等方面的综合研究。
截止2013年9月10日,GBDB数据库中共数字化全球8508条剖面、44617个采集层、234641条化石产出记录的综合地层学数据,以及90404条古生物分类数据和81309条文献索引数据,是目前全球最大的地层学数据库和第二大的古生物学数据库。
2012年8月,在第34届国际地质大会召开期间,经国际地层委员会执委会投票通过,GBDB数据库正式成为国际地层委员会的官方数据库,承担国际地层委员会的数据库建设,并面向全球用户提供权威的地层及相关信息的在线服务。
相关成果发表在国际期刊《地层学新闻通讯》(Newsletters on Stratigraphy),是GBDB数据库项目的第24项正式成果。
论文相关信息:Fan, J.X., Chen, Q., Hou, X.D., Miller, A.I., Melchin, M.J., Shen, S.Z., Wu, S.Y., Goldman, D., Mitchell, C.E., Yang, Q., Zhang, Y.D., Zhan, R.B., Wang, J., Leng, Q., Zhang, H., Zhang, L.N. 2013. Geobiodiversity Database: a comprehensive section-based integration of stratigraphic and paleontological data. Newsletters on Stratigraphy, 46(2): 111-136. doi: 10.1127/0078-0421/2013/0033
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古元古代疑源类化石似核状内含物研究取得进展
细胞核能否保存为化石,一直是研究真核生物起源的古生物学家关注的焦点之一。自上世纪六十年代以来,一些前寒武纪细胞化石内部的微结构相继被解释成细胞核或降解聚缩的细胞质,如澳大利亚新元古代早期苦泉组(Bitter Springs)的微体化石等,但都颇具争议。最近,在中国南方埃迪卡拉纪陡山沱组磷酸盐化动物胚胎状化石中报道了可能的细胞核状结构,这一辩论又再一次引起人们的关注。
为了进一步解释这些核状物的形成机理,我所博士研究生庞科等人利用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜和聚焦离子束扫描显微镜等方法,对我国山西永济古元古代汝阳群保存精美的碳质压膜疑源类化石进行了详细研究。研究对象是Shuiyousphaeridium macroreticulatum 和 Dictyosphaera delicata,它们是汝阳群中数量最丰富的种类,在多项前人的研究中已被充分证明为可靠的真核生物化石。这两个种的很多标本都保存有细胞内含物,透过透射光显微镜、背散射电子显微镜和离子诱导次级电子成像技术都可以观察到。能谱成像和EDS点分析发现,这些内含物的组成以碳、氧元素为主,跟细胞壁(膜壳)相似。这些内含物更趋向于分布在细胞的中间,其直径与膜壳直径成正相关关系。在一些内含物和膜壳都被拉长的标本(短轴/长轴小于0.85)中,两者的长轴方向呈现较一致的趋势。通过手工、超薄切片机和聚焦离子束三种方式,对内含物和膜壳进行了切片从而得以对其横截面进行观察。研究发现,这些内含物和膜壳的内表面已经完全融合在了一起,几乎没有可以分辨的界线。在横截面上包含有内含物的部位要比其他部位厚很多,一些标本中,内含物以双面凸起的透镜状存在,透射电镜下显示为中间为非常厚的电子致密层,两侧包裹着非常薄的不连续的电子稀疏层。此外,在这些内含物中还存在一些纳米级别的小孔。
综合以上发现,该研究认为汝阳群化石中保存的细胞内含物既不是细胞核,也不是降解收缩的细胞质,而是单细胞生物为了应对不良环境而收缩的原生质体(包括了细胞核、周围的细胞质和细胞膜在内)。如果在地球早期的化石中发现细胞核,将对认识真核生物起源和早期演化意义重大,但是很多过程(如降解的或者生物自身收缩的原生质体)都可以产生类似于细胞核的结构,该研究提示我们把化石中的结构解释成细胞核需要更谨慎、更多综合性的研究。
相关成果近期发表在国际期刊《地球生物学》(Geobiology)。
论文相关信息:Pang, K., Tang, Q., Schiffbauer, J. D., Yao, J., Yuan, X., Wan, B., Chen, L., Ou, Z. and Xiao, S. (2013), The nature and origin of nucleus-like intracellular inclusions in Paleoproterozoic eukaryote microfossils. Geobiology. doi: 10.1111/gbi.12053
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1.25亿年前的有花植物再现辽西
被子植物,又称有花植物,在现代生态系统中占据重要的位置,与包括人类在内的哺乳动物的兴衰密切相关,因而被子植物的起源和早期演化长期以来一直是一个难解的植物学谜团。为了解决这个植物学难题,十余年来科学家先后在辽宁朝阳地区的义县组地层中发现了梁氏朝阳序、辽宁古果、中华古果、始花古果、十字中华果、迪拉丽花、瓶状辽宁果等被子植物化石。
近日,我所王鑫研究员研究团队在最新出版的《地质学报》英文版上报道称,他们在辽西早白垩世的义县组地层中发现了一种新的被子植物——黄半吉沟白氏果。黄半吉沟白氏果和梁氏朝阳序、辽宁古果、迪拉丽花、瓶状辽宁果都是在辽西北票地区黄半吉沟发现的。黄半吉沟白氏果的多个果实连接在一起,每个果实具有一个宿存花柱,果实中有一个种子,符合人们对于被子植物的定义。该化石属名以首批标本的捐赠人、朝阳的化石收藏者白雪东先生命名,种名以化石出产地点黄半吉沟命名。化石的产出的地层在地质学上称为义县组,时代上属于早白垩世,形成于1.25亿年前。
目前在义县组出产的被子植物化石已经有不少属种,而且大部分在形态上各不相同。这些出产于黄半吉沟同一地点的五种形态各异的被子植物化石向人们暗示,它们在义县组的涌现应当是长期演化的结果,早白垩世不会是被子植物起源的时代,被子植物的历史应当更长。因此,新化石的发现不但没有解决被子植物的起源问题,相反,它只是把被子植物的起源推向更神秘、更古老的时代。由此看来,被子植物起源的谜底只有在结合植物学各个学科共同努力的基础上才能最终的揭开。
此项成果由渤海大学、深圳市中国科学院仙湖植物园、全国兰科植物种质资源保护中心和我所等四家单位共同完成。
论文相关信息: HAN Gang, FU Xiao-Ping, LIU Zhong-Jian, and WANG Xin (Corresponding author), 2013, A New Angiosperm Genus from the Lower Cretaceous Yixian Formation, Western Liaoning, China, Acta Geologica Sinica (English Version), 87(4): 916-925.
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铁角蕨分子谱系年代学研究取得新进展
关于生物类群的起源时间,分子定年(分子钟)和化石记录之间的争论由来已久。越来越多的研究显示,分子定年和化石记录之间还存在着很大的分歧,但是对造成差异因素的探讨不多。
近日,我所分子古生物学研究小组以蕨类植物中的铁角蕨(Asplenium)为例,首次探讨了造成分子钟和化石记录之间差异的因素。现代铁角蕨属超过600种,广布于世界热带和温带地区,以热带、亚热带为分布中心。最早可归入现代属的化石类群产于东亚下白垩统地层中(不迟于阿普特阶),而分子定年研究显示铁角蕨类最早在始新世(~57.7Ma)产生分化。通过对比分析,发现造成化石记录和分子钟之间差异的主要因素有:所用数据的属性(即表型和基因型)不同、分别采用主干类群和冠部类群的概念、分子系统树取样不足、化石类群鉴定的可能偏差。
通过对比分析,作者认为早白垩世的铁角蕨类群很可能代表铁角蕨类演化过程中的主干类群,在演化过程中由于存在谱系绝灭事件而缺失了中间环节。换言之,铁角蕨的表型特征在白垩纪以来的地质历史中曾经多次演化出现。
相关研究成果将于近期发表于国际地学期刊Cretaceous Research。
论文相关信息:Chunxiang Li, Qun Yang, 2013. Notes on the divergence time of the fern genus Asplenium from fossil and molecular evidence. Cretaceous Research, available online, 23 July 2013, http://dx.doi.org/10.1016/j.cretres.2013.06.005
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利用化石和分子证据阐明天牛的演化历史
天牛是重要的农业害虫,也是最常见的一类昆虫。天牛和叶甲组成的叶甲总科,是鞘翅目(甲虫)中最丰富类群之一。中生代叶甲总科化石极其稀少,迄今尚未发现明确的天牛化石。由于化石记录缺失,学界对天牛及叶甲总科的起源和辐射时间仍有较大差异。不同分子数据和计算方法也给出了相差极大的结果。先前不同研究组分别基于分子和遗迹化石研究发现叶甲总科与被子植物的演化过程是协同进化、共同辐射的。而近期的分子分析和化石再分析结果则质疑了此种观点。
最近,我所王博副研究员与马俊业副研究员等在我国东北早白垩世义县组地层中发现了最早的天牛科化石,修订了中生代的叶甲总科化石记录。同时,该研究基于厘定的化石校准点和系统发育关系,结合基因库中已有的叶甲总科84个类群的基因序列,利用松散分子钟计算方法,重新评估了叶甲总科各类群的分歧时间。
该研究结果发现现代天牛科可能起源于晚三叠世,并且叶甲总科中几乎所有亚科单元都在白垩纪早期已经出现,明显早于被子植物的大辐射时间。研究结果同时发现叶甲总科中5个与被子植物相关类群在白垩纪晚期开始高阶单元的分化,随后其多样性随着被子植物大辐射而持续增加。本研究结论进一步支持了叶甲总科甲虫与被子植物的协同演化关系。该化石研究结合分子系统学分析,进一步拓展了昆虫化石的演化意义。
研究相关成果发表于国际古生物学杂志Journal of Systematic Palaeontology。
Wang Bo, Ma Junye, McKenna D., Yan E.V., Zhang Haichun, Jarzembowski E.A. (2013) The earliest known longhorn beetle (Cerambycidae: Prioninae) and implications for the early evolution of Chrysomeloidea. Journal of Systematic Palaeontology, doi:10.1080/14772019.2013.806602.
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新元古代大冰期前生物地层学研究取得新进展
新元古代大冰期结束之后的埃迪卡拉纪,真核生物特别是多细胞真核生物发生了较大规模的辐射。相比较而言,大冰期前夕的新元古代早期,可靠的真核生物化石资料却很少。同时,由于缺乏有效的具有时代指示意义的标准化石,新元古代早期地层的划分与对比也一直是未解决的难题。
最近,我所硕士研究生唐卿等人利用改良后的疑源类分析方法,在我国淮南地区新元古代刘老碑组页岩中获得了大量精美的有机质壁保存的微体化石。共鉴定出23个属种,其中包括3个新种和11种真核生物化石。通过全球对比,发现其中的带刺疑源类Trachyhystrichosphaera aimika 只出现在大冰期之前的新元古代早期地层中,具有很好的地层学对比意义,因此可以作为新元古代早期地层的标准化石。Trachyhystrichosphaera aimika 在刘老碑组中的出现,以及Chuaria 和Tawuia 的广泛分布说明,淮南地区刘老碑组并不是新元古代大冰期之后的地层,而是大冰期之前新元古代早期的沉积。该研究也为我国胶辽徐淮地区前寒武纪地层的归属和对比,以及新元古代早期地层的全球层型研究提供了可靠的生物地层学资料。此外,大量的微体真核生物化石的发现为我们了解新元古代大冰期前夕真核生物的多样性和演化水平提供了宝贵的实际材料。
相关成果近期发表在国际期刊《前寒武研究》(Precambrian Research)。
论文相关信息:Qing Tang, Ke Pang, Shuhai Xiao, Xunlai Yuan, Zhiji Ou, Bin Wan, Organic-walled microfossils from the early Neoproterozoic Liulaobei Formation in the Huainan region of North China and their biostratigraphic significance, Precambrian Research, Volume 236, October 2013, Pages 157-181, ISSN 0301-9268
http://dx.doi.org/10.1016/j.precamres.2013.07.019.