海綿動物為什么“消失”了約1.6億年？

在漫長的演化進程中，海綿動物幸運地躲過地球上5次物種大滅絕存活至今。研究推測，海綿動物起源于距今約7億年前，但在距今約5.4億年的寒武紀之前，海綿化石極為稀少并具有爭議。

海綿動物為什么會“消失”了約1.6億年？近期，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）研究員袁訓來領導的一支早期生命研究國際合作團隊，在湖北宜昌距今約5.5億年前的石板灘生物群中，發現了一種埃迪卡拉紀晚期的冠群海綿動物，填補了海綿動物早期演化的重要環節。該成果6月5日在線發表于英國《自然》。

化石缺失約1.6億年

“海綿動物通常被認為是最基礎和最原始的后生動物，對地球早期海綿化石的尋找和研究，能為我們探索動物起源和早期演化模式提供關鍵證據。”論文通訊作者、南京古生物所副研究員萬斌告訴《中國科學報》。

已有研究表明，海綿起源時間應該在距今約7億年前。然而，現實的研究發現，海綿化石記錄在寒武紀才大量出現，存在長達約1.6億年的空缺，這一段撲朔迷離的歷史被稱為海綿早期演化研究中“消失的歲月”。

為什么前寒武紀海綿化石記錄缺失呢？

萬斌結合過往研究解釋道，第一，由于大多數現生海綿具有硅質或鈣質骨針，因此研究者假設海綿的共同祖先具有礦化骨針，而在寒武紀之前距今約6.35億-5.39億年的埃迪卡拉紀海綿化石的缺失，可能是由于當時的環境不利于骨針的保存；第二，海綿動物的共同祖先不具有礦化骨針，在分化出主要類群后，各類群才獨立演化出礦化骨針，因此前寒武紀的早期海綿動物沒有骨針，保存潛力相對較小，也難以從化石記錄中識別出來。

早期海綿沒有“骨針”

近年來，袁訓來團隊在石板灘生物群進行了大規模的化石挖掘，并在5年前發現了一類大型的海綿動物化石。由于該化石表面具有多次分級的網格結構，標本下部的網格呈現螺旋排列的方式連接到底部的盤狀固著結構，直立底棲在沉積物表面，因此被命名為“螺旋網格海綿（Helicolocellus）”。

萬斌介紹，新發現的螺旋網格海綿表面由規則的方格組成，這些方格可以被細分為四個形態相同的次級方格，次級方格又可以進一步被細分。螺旋網格海綿的這種特殊方格結構與古生代六放海綿動物的形態特征類似，不同之處在于螺旋網格海綿的網格是有機質組成，而古生代海綿化石的網格則是由礦化骨針組成。

袁訓來團隊聯合英國劍橋大學、美國弗吉尼亞理工大學研究人員組成的國際合作團隊研究認為，螺旋網格海綿化石可能代表了一種不具有礦化骨針的早期海綿動物。

為了論證這一解釋，研究團隊構建了一個包含各種現生動物和古生代化石動物的形態數據矩陣，并進行了嚴格的系統發育分析。研究結果顯示，螺旋網格海綿化石屬于冠群海綿，并且與六放海綿親緣關系接近。

“螺旋網格海綿化石的發現表明，前寒武紀確實存在非生物礦化的海綿動物。”萬斌說，“該化石的發現也提示我們不能完全以現生海綿作為藍本去尋找前寒武紀海綿化石，因為早期海綿可能沒有生物礦化骨針，并且可能不具備現生海綿的所有特征。”

這項研究還推測，在六放海綿早期演化歷程中，可能存在一個以有機物構建網狀骨架的階段，直到進入寒武紀以后才獲得生物礦化能力，把礦物添加到已有的有機質骨架之上，形成復合的礦化骨針組成的骨架。

爭議推動學科發展

“你永遠都不知道，下一榔頭會敲出什么樣的新奇化石！”這是袁訓來經常掛在嘴邊的一句話。化石是地球生命演化的實證，關鍵演化階段的關鍵化石更是不可多得，也彌足珍貴，這些化石需要古生物學家一榔頭一榔頭從石頭里面敲出來。

一直以來，袁訓來團隊對石板灘生物群進行了長期的艱苦挖掘，并發現薄層灰巖中不僅保存有豐富多樣的埃迪卡拉型化石，還保存了大量的動物遺跡化石和其他動物的實體化石。

2018年，《科學進展》報道了團隊發現的最早的動物足跡化石；2019年，《自然》報道了團隊發現的最早的具有運動能力的兩側對稱動物—夷陵蟲。螺旋網格海綿化石的發現是團隊的又一重要成果。

“這篇論文2023年7月投稿，經歷了5個審稿人長達4輪的審稿，才得以發表。”萬斌告訴《中國科學報》，“我們的發現是對海綿動物早期演化傳統理論的一種挑戰，這個過程很艱難，但結果還是比較理想。我們通過精美的化石標本和嚴謹的論證，最終說服了審稿人。”

其中一位審稿人評論說：“螺旋網格海綿可能是理解動物演化的‘羅塞塔石碑’。”據了解，羅塞塔石碑是古埃及托勒密王朝的著名石碑，已經解讀出失傳千余年的埃及象形文之意義與結構，成為研究古埃及歷史的重要里程碑。

前寒武紀-寒武紀界線前后的生物群落面貌曾被學術界認為是天差地別。因為，埃迪卡拉紀是形態奇異且親緣關系未知的埃迪卡拉生物群主宰的時代；而到了寒武紀，各個現生動物門類接踵而出，人們熟悉的現代海洋生態系統才得以建立。

螺旋網格海綿的發現連接了埃迪卡拉生物群和寒武紀生物群，也表明埃迪卡拉生物群中的某些類型也許和現生動物之間有某種直接的演化關系。

這項研究發現了在比寒武紀還要早1千萬年的海洋中，生活著沒有礦化骨針的海綿。這也意味著，沒有礦化骨針的海綿在寒武紀之前就已經發生了一定規模的輻射（一個物種獲得了某種關鍵特征，從而導致大量新生特征和物種的涌現）。

那么，其它類型的動物是否在寒武紀之前也發生了輻射？是什么原因導致海綿動物產生了礦化骨針？“我們這項研究也許會引發的新爭議，這些爭議問題的解決有望推動學科進一步發展。”萬斌說。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07520-y

螺旋網格海綿生態復原圖 受訪者供圖