復(fù)雜生物出現(xiàn)是生命演化史上重要的革新事件，意味著地球生物圈從以微生物為主的世界轉(zhuǎn)入以動、植物大規(guī)模發(fā)育為特征的宏體復(fù)雜生命世界。距今25億至5.39億年的元古宙見證了單細(xì)胞真核生物起源、簡單多細(xì)胞化以及復(fù)雜多細(xì)胞生物初步輻射的演化歷程。長期以來，關(guān)于上述演化歷程的認(rèn)知，缺乏大數(shù)據(jù)層面的定量研究。
12月20日，中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所早期生命研究團(tuán)隊與南京大學(xué)、美國弗吉尼亞理工大學(xué)、香港大學(xué)等單位的科研人員合作，在《科學(xué)》（Science）上發(fā)表了關(guān)于元古宙復(fù)雜生物早期演化的重要成果。
該研究歷時六年，創(chuàng)建了全球數(shù)據(jù)最全的早期地球古生物地層數(shù)據(jù)庫，結(jié)合超算和人工智能等大數(shù)據(jù)分析手段，首次繪制了地球距今20億至5億年前元古宙至寒武紀(jì)早期的真核生物多樣性演化曲線。同時，該研究揭示了復(fù)雜生命經(jīng)歷元古宙中期漫長的早期演化歷程并在新元古代發(fā)生多次大輻射和大滅絕事件。這一成果填補(bǔ)了地球早期真核生物多樣性宏演化的空白。
自20世紀(jì)80年代至今，中國科學(xué)家在“復(fù)雜生物起源和早期演化”方向取得了一系列進(jìn)展。南京古生物所早期生命研究團(tuán)隊在研究員袁訓(xùn)來的帶領(lǐng)下，與國內(nèi)外多家科研單位合作，研究了埃迪卡拉紀(jì)藍(lán)田生物群、甕安生物群、石板灘生物群和拉伸紀(jì)淮南生物群、石旺莊生物群、遼南生物群等多個早期生命的化石寶庫。
化石是記錄生命演化的最直接證據(jù)。而在5億年以前漫長的早期地球階段，發(fā)育細(xì)胞核的真核生物是何時出現(xiàn)并留第一個化石記錄？作為所有現(xiàn)代高等生命的祖先，早期復(fù)雜生物如何一路逢兇化吉并最終進(jìn)化出如今五彩繽紛的地球生物圈？受限于研究方法，這些關(guān)系到“我們從哪里來”“要到哪里去”的重要科學(xué)問題尚無準(zhǔn)確回答。
針對上述難解之謎，聯(lián)合團(tuán)隊在長期對早期生命化石及其產(chǎn)出地層開展研究的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建了目前全球數(shù)據(jù)最全、信息量最大的早期地球古生物地層數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)新性地結(jié)合超算和人工智能等大數(shù)據(jù)分析手段，首次繪制出地球距今20億至5億年前元古宙至寒武紀(jì)早期的真核生物多樣性曲線。數(shù)據(jù)庫覆蓋單細(xì)胞真核生物化石、多細(xì)胞或多核體藻類化石、動物實體化石與遺跡化石等類型，收錄了2731種化石的12820條首現(xiàn)記錄與末現(xiàn)記錄以及相關(guān)地層的數(shù)據(jù)。研究定量展示了跨度長達(dá)15億年的高精度復(fù)雜生命早期演化歷史，揭示了地球上復(fù)雜生命是如何經(jīng)歷元古宙中期漫長的早期演化歷程以及新元古代的多次大輻射和大滅絕事件后，最終為“寒武紀(jì)大爆發(fā)”期間現(xiàn)代類型的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)的建立鋪平道路。這一成果填補(bǔ)了早期地球真核生物多樣性宏演化的空白，為剖析地球復(fù)雜生命起源和早期演化規(guī)律，探索地外生命是否存在以及宜居地球的可持續(xù)發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)并提供了借鑒。
研究發(fā)現(xiàn)，隨著第一個可信的真核生物化石在距今約17億年前出現(xiàn)后，真核生物多樣性保持較低但穩(wěn)定增長的模式。直到約7.2億年前全球性“雪球地球”大冰期出現(xiàn)，打斷了真核生命演化的既定進(jìn)程。隨著“雪球地球”事件結(jié)束，真核生物的物種多樣性開始迅速增加并頻繁發(fā)生波動，在埃迪卡拉紀(jì)發(fā)生多次生物大輻射和大滅絕事件。其中包括約6.35億到5.8億年前的生物大輻射事件，以及緊隨其后發(fā)生的真核生物演化史上的第一次大滅絕事件，導(dǎo)致當(dāng)時的優(yōu)勢類型即表面具有復(fù)雜刺狀裝飾的微型真核生物大量滅絕。此后，以動物為代表的形態(tài)更復(fù)雜的宏體生物迎來了快速輻射。而這些體形較大的復(fù)雜生物在埃迪卡拉紀(jì)末期遭遇兩次明顯的多樣性下降，代表了動物演化史上最早的兩次大滅絕事件，且早于眾所周知的顯生宙的五次大滅絕事件。
該研究首次用大數(shù)據(jù)方法揭示了早期地球15億年的生命演化歷程，定量化地勾畫了復(fù)雜生命的起源、輻射、滅絕、再次輻射至現(xiàn)代復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)形成的早期演化過程。以上研究表明，“雪球地球”大冰期、噶斯奇厄斯冰期等極端氣候事件嚴(yán)重阻礙地球早期生物圈的演化進(jìn)程，導(dǎo)致生物大滅絕事件出現(xiàn)。而隨著大冰期事件結(jié)束，地表溫度回暖以及大氣氧含量升高等促成了新一輪復(fù)雜生物大輻射事件，進(jìn)一步證實了生命從簡單到復(fù)雜的演化不是簡單的線性歷程而是呈長期滯緩與相對快速輻射交替的發(fā)展模式。這一成果凸顯了地表溫度與氧氣含量等環(huán)境因素驟變對早期地球復(fù)雜生命演化的重要影響。
多位審稿人評價道，“該研究終于帶來了長期缺失的早期地球高精度生物多樣性演化曲線”，“該曲線揭示的真核生物大輻射和大滅絕事件將激發(fā)一大波探索早期地球生命與環(huán)境協(xié)同演化的熱潮”。
研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、“深時數(shù)字地球”國際大科學(xué)計劃等的支持。
論文鏈接
早期地球高精度真核生物多樣性曲線
元古宙-寒武紀(jì)早期地球-生命系統(tǒng)的演化過程
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