本报记者 沈春蕾
地球上最早的多细胞真核生物什么样？
1月25日，《科学进展》报道了中国科学院南京地质古生物研究所研究员朱茂炎团队在华北燕山地区16.3亿年前地层中发现的多细胞真核生物化石。这些保存有精美细胞结构的微体化石，被认为是迄今全球已发现最早的多细胞真核生物化石记录。
第一作者苗兰云是朱茂炎领衔的地球-生命系统早期演化团队的一员，她“泡”了8年化石，做了无数次实验，又用两年时间反复论证和修改论文，才取得今天的成果。
这是继2016年燕山地区发现15.6亿年前全球最早的宏体多细胞真核生物化石后，朱茂炎团队在早期生命演化领域中取得的又一项重要突破，将多细胞真核生物出现的时间提前了7000万年。
真核生物何时发生多细胞化?
当今地球上大部分的复杂生命，如动物、陆生植物、真菌和宏体藻类均是多细胞真核生物。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要条件，被认为是生命演化史上的重大关键事件之一。
但学术界一直有个疑问：真核生物最早是何时发生多细胞化的？
已知的化石证据表明，简单的微体多细胞真核生物，包括红藻、绿藻和真菌化石等，在距今10亿年左右的地层中已经出现，并开始多样化。而曾经报道过的更古老地层中的多细胞真核化石，因缺乏可靠的生物学证据，如多细胞结构和复杂形态，普遍受到质疑。
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》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。
朱茂炎表示：“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6亿年前提前了近10亿年，还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，2015年，苗兰云在博士研究生阶段就开始了一项研究课题——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生物化石记录。
在长达近8年时间里，苗兰云等人在燕山地区多个剖面点上采集了数百件长城系页岩样品，通过泡在氢氟酸和盐酸等溶液中进行实验处理，获得了大量微体化石标本。在发现大量多种类型的单细胞真核生物化石的同时，苗兰云等人终于在河北省宽城县翁家庄剖面长城系串岭沟组上部，发现了微体多细胞真核生物化石。
朱茂炎介绍，在含有该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，这为新发现的化石提供了直接的年龄限制。
壮丽青山藻为多细胞真核生物
苗兰云等人发现的这批化石标本一共278枚，它们是由单列细胞组成的无分枝的丝状体。
“由于我们发现的化石与此前在燕山中部天津蓟县地区串岭沟组页岩切片中发现的‘壮丽青山藻’化石形态和大小相似，于是我们将它们归入同一个属种。”苗兰云说。
此次研究的一个重要新发现是，壮丽青山藻的部分细胞内含有直径约15~20微米的圆形结构。圆形结构形态完整规则、质地均匀，大小和形态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。研究团队推测，壮丽青山藻是一种通过孢子繁殖的生物。
在现生生物中，由单列细胞组成的丝状体生物种类繁多，在原核和真核生物中广泛存在。“我们综合比较了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比照的类型。”苗兰云说。
据统计，目前已知的原核丝状体绝大多数个体很小，直径约1~3微米，仅个别巨型蓝细菌和硫细菌的直径达到200微米，与壮丽青山藻直径相似。但这些巨型细菌的细胞全部为圆盘状，形态没有任何复杂性。而真核生物中类似壮丽青山藻的丝状体生物则很多，特别是大多数真核藻类都含丝状体，如褐藻、黄藻、绿藻等。因此，研究团队认为，壮丽青山藻为多细胞真核生物。
有助于揭示复杂生命的起源
详细的比较研究表明，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，还可能属于多细胞藻类，具有光合作用的代谢能力。
为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。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，学术界普遍认同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16.5亿年前的古元古代晚期地层中。“壮丽青山藻的出现时间仅稍晚于这些最古老的单细胞真核生物化石，这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。”朱茂炎说。
这项研究还证明，由于真核藻类属于冠群真核生物的一个支系，如果壮丽青山藻可以确认是营光合作用的真核藻类，那么真核生物最后的共同祖先应不晚于16.3亿年前的古元古代晚期，比当前学界普遍接受的10亿年前提前了6亿年之久，与分子钟推算的时间基本吻合。
朱茂炎认为，这项研究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。
相关论文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.adk3208
《中国科学报》 (2024-01-26 第1版 要闻)
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