话说6亿年前的动物胚胎

文/袁训来

在贵州省中部地区，有一个面积1974平方千米、人口40多万的小县——瓮安县。20世纪末，因为在县城西南16千米处的瓮安县磷矿地区发现了距今6亿年的动物胚胎化石，使瓮安这个偏居一隅的小县城备受瞩目，也震撼了整个生物学界。

现生动物进行有性生殖都要经过“胚胎”发育这一过程：卵子受精后形成受精卵，或称为合子，绝大多数合子发育都会由一个细胞分裂成2个、4个、8个乃至2n个细胞，直到有细胞分化、组织分化和器官分化，在长成幼虫前都被统称为胚胎发育阶段。我们熟知的“蛋”和“籽”绝大部分是胚胎。

无独有偶，在贵州省瓮安磷矿距今约6亿年的岩石中就保存了代表动物胚胎发育全过程的化石标本。这些动物胚胎是如何发现的？为什么认为它们是动物的胚胎而不是别的生物？要知道，6亿年前是一个非常遥远的过去，地球上就连可靠的动物化石都没有发现，更何况是胚胎呢！而且这里保存的胚胎化石之丰富，是令人难以想象的。以瓮安磷矿七八十平方千米、平均厚度七八米的含胚胎化石的岩石（在很多地方的富集层，胚胎化石超过岩石总重量的40%）计算，动物胚胎化石应该数以亿吨计！

对瓮安动物胚胎的解释有一个认识过程。在20世纪90年代初，古生物学家用醋酸（日常用醋的主要成分就是醋酸）浸泡瓮安磷矿石时，发现醋酸溶解后的残留物中含有无数球形颗粒，直径在0.5毫米左右，用扫描电子显微镜（能分辨出纳米级的结构）进行仔细观察，发现这些球形颗粒的最外面有一层壳，其上有不规则的瘤状装饰，绝大多数情况下瘤状壳包裹着一个光球体，少部分标本有2个、4个、8个、16个乃至2n个有规律出现的小球。毫无疑问，单从这些特征就能够肯定瘤状球形物是生物化石，但究竟是何种生物的遗体呢？古生物学家通过与现代一些藻类进行形态对比，认为它们与绿藻门中的团藻相类似，而与其他藻类形态相差较大，很自然就把它们归入绿藻。

在当时的研究中，把它们看作藻类而没有往动物胚胎方面去想，还有一个非常重要的原因，那就是藻类与其他植物一样，细胞都具有细胞壁，较为容易形成化石，地质记录中就有很多植物和藻类细胞保存为化石；而动物细胞没有细胞壁，只有一层几十纳米厚的细胞膜，很难形成化石，所以地质记录中动物细胞化石极为罕见。

大约在这些球状化石被描述为藻类发表后的第三个年头，另一些古生物学家对它们进行了研究，认为它们不是藻类化石，而是动物的胚胎化石。他们是这样分析的：藻类细胞在分裂时虽然也能产生2n个有规律出现的细胞集合体，但是每个分裂阶段的细胞大小都是不变的；也就是说，随着细胞的增加，细胞集合体的体积也相应地成倍增长。但是，瓮安的球形化石并不是这样，细胞每分裂一次，单个细胞的体积就比母细胞减小1/2，而整个细胞聚合体的体积几乎保持不变。这一特点与动物胚胎的早期发育过程非常类似！由此，他们对瓮安的球形化石做出了完全不一样的结论：它们是6亿年前动物留下的胚胎！1998年，肖书海博士等人在英国著名学术刊物《自然》上以《新元古代磷块岩中三维保存的藻类和动物胚胎化石》为题发表了他们的研究成果，引起了强烈的反响。美国科学院院士、哈佛大学生物系的安德鲁·诺尔教授认为动物胚胎的发现是我们认识地球早期动物演化的新窗口，已故国际著名演化生物学家、哈佛大学的斯蒂芬·古尔德教授在《纽约时报》上称胚胎化石的重要性可以与20世纪50年代在加拿大冈福林特燧石中发现的前寒武纪化石相比拟，是20世纪古生物学的重要发现之一。

但这个有关胚胎化石的故事还只是一个开始，当时对胚胎的解释也有很多值得质疑和斟酌的地方。例如，在6亿年前，动物胚胎这种没有坚硬外壳、转瞬即逝的微小生命体是如何保存为化石的？地质记录上没有可靠的动物成体化石之前，为何有如此数量众多的胚胎化石？随后的深入研究慢慢揭开了这层神秘的面纱。一般的动物胚胎即便在一个地方汇集，也很容易因腐烂和降解而面目全非，但瓮安磷矿地区的胚胎却经历了6亿年的地质作用还得以完美保存，这其中的秘密到底是什么？原因是这样的。比方说，新鲜的枣子很容易腐烂，但是经过糖水浸泡后制成蜜饯就可以长久保存。这些动物的胚胎在这里没有很快腐烂，主要是因为这些动物的胚胎一来到世间，很快就被磷酸钙“浇铸”和“渗透”，在几天甚至短短几小时里，这些胚胎就变成了石头，即便在水里翻滚和漂流，也能够得以完整保存，并随着其他沉积物成为岩石后永久地保存下来。

可以肯定，这数以亿吨计的胚胎化石并不是短时间内形成的，七八米厚、富含胚胎化石的岩层至少经历了数百万年甚至千万年的积聚。但是，为什么动物都把“蛋”下在同一地区呢？除了长期的堆积外，还与瓮安磷矿地区的古地理位置有关。当时该地区很可能是浅海中的一个“洼地”，其他周边地区的胚胎化石经过风浪的搬运，再沉积到这里。

其实，有关瓮安磷矿胚胎化石最难解释和最需要回答的问题是：是何种动物下的“蛋”？众多古生物学家多年来都在努力寻找答案，但直到最近才取得突破性进展——我们找到了这些胚胎连续发育到后期的化石证据，甚至可以看作是成体的标本！

瓮安生物群中盘状卵裂的动物胚胎化石

连续发育的胚胎和可能的成虫化石。具有同样瘤状装饰的外壳表明它们是同一种动物留下来的化石。

过去发现的化石只是2个、4个、8个、16个乃至2n个细胞的集合体，细胞没有分化，每个细胞都完全相同。新发现表明，众多细胞发育成一个螺旋状生物体，它“躲藏”在瘤状壳包裹内，并在外壳上“钻出”一连串的、顺时针规则旋转的小孔。这是一类未知而神奇的动物，就目前来看，还没有发现一种现生动物的身体构型可以与之进行对比。

前面已经说过，该时期的动物胚胎几乎是地球上出现的首批动物代表，距今已有6亿多年，它们与现代的动物外貌相差悬殊是完全可以理解的。我们虽然不能直接与现代动物进行比较，但根据这些保存精美的结构，还是能够对它们的行为略知一二。我们推测，这些螺旋排列的小孔对该动物的取食、运动和排泄等功能可能起到了至关重要的作用：首先，它们是该动物的运动“器官”，可以想象，只要里面的动物稍有动静，就会从螺旋排列的小孔中产生水流，水体的螺旋流动能够使得该微小动物体向某一个方向运动；其二，动物可以借助小孔里的水体流动跟外部环境进行物质和能量交换，一些细菌或细菌大小的有机颗粒会顺着水体的流动被动进入壳体内部，从而被里面的动物捕获，动物的代谢产物（或排泄物）也可以顺着水流从小孔中排出壳外。还有一个特征值得一提，就是每个小孔的周围都有一层较厚的边缘，与外壳的瘤状装饰明显不同，很可能是动物的有机代谢产物在排出壳体后慢慢累积而成的。通过这一特征，可以推测该动物（即使不是成体）在此状态下已经生活了较长一段时间。

从进化的角度来看，最早期动物的身体结构和功能很可能不够完善，借助水流进行被动取食、排泄和运动是必要的，也是完全可以理解的。例如，我们熟知的海绵动物也是地球上较早出现的动物类型之一，它们从5.4亿年前到现在，都是以过滤水流进行被动取食和排泄的。

经过多年的深入研究，关于瓮安磷矿发现的距今6亿年的动物及其胚胎化石已经取得了很大的进展。现在看来，还有一个问题需要回答：那就是动物是如何繁殖的！我们知道，动物跟所有其他生物一样，除了新陈代谢外，还需要繁殖后代。如果具有螺旋排列小孔的瘤状球体是整个动物成体的话，那么它又是怎么“下”出跟自己身体大小相差不大的“蛋”的呢？目前为止，对这一问题还没有答案。

毫无疑问，在古生物研究领域最重要的是化石证据。但我在这里想说的是，对地球上出现的最早期动物的研究，在没有合适的参照物的情况下，想象力可能更为重要。动物和动物胚胎在6亿年前的瓮安磷矿地区客观存在着，也不用怀疑它们是生“蛋”和被生的“母子”关系。也许，解决这一奇特动物的“繁殖”问题最终依靠的是智慧！