寒武紀(jì)大爆發(fā)

熱點(diǎn)聚焦寒武紀(jì)大爆發(fā)：“動(dòng)物大樹”的誕生人類歷史依照使用工具的演替劃分為舊石器時(shí)代、新石器時(shí)代、青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代等;而地球演化史的紀(jì)年則是根據(jù)動(dòng)物的出現(xiàn)及其發(fā)展演進(jìn)的階段性來(lái)劃定的。地球上的動(dòng)物化石開始明顯大量出現(xiàn)以后的時(shí)代稱為顯動(dòng)宙或顯生宙，此前動(dòng)物化石稀少或隱而不現(xiàn)的時(shí)代統(tǒng)稱為隱動(dòng)宙或隱生宙。46億年的地球歷史中有7/8屬于隱生宙。歷經(jīng)5.4億年的顯生宙依據(jù)動(dòng)物類群由低等到高等的演替順序被分為三個(gè)代（古生代、中生代、新生代），進(jìn)而再細(xì)分為11個(gè)紀(jì)。寒武紀(jì)是顯生宙的第一個(gè)紀(jì)；由于其初期動(dòng)物化石在全球范圍內(nèi)突然大量出現(xiàn)，所以它作為界定隱生宙與顯生宙的特定標(biāo)記一直受到特別關(guān)注。19世紀(jì)30年代，當(dāng)牛津大學(xué)柏克蘭教授最先觀察到這一現(xiàn)象時(shí)，這位著名的自然神學(xué)家借用這一神奇現(xiàn)象滿懷激情地謳歌了上帝造物的英明和偉大。20多年后，這個(gè)曾經(jīng)使上帝變得尤為“偉大”的生命創(chuàng)造事件卻成了達(dá)爾文創(chuàng)立生物演化學(xué)說(shuō)的重大難題。在神創(chuàng)論一統(tǒng)天下的時(shí)代，聰明過(guò)人的達(dá)爾文借用常見的“化石記錄保存不完整”現(xiàn)象繞過(guò)了這一棘手難題。他預(yù)言，如果化石記錄保存完整的話，在“化石爆發(fā)”之前還一定能夠看到漫長(zhǎng)的生命遺跡。這一推測(cè)后來(lái)部分得到了證實(shí)。在結(jié)束5年環(huán)球航行的第二年（1837年），達(dá)爾文便形成了“物種可變”的反傳統(tǒng)思想萌芽，并在其第一本物種起源筆記中首次“偷偷地”勾畫出了關(guān)于生命演化的“分叉樹形圖”；22年后，達(dá)爾文又通過(guò)《物種起源》中惟一的插圖更規(guī)范了“分叉樹形圖”猜想。正是這棵示意性的“生命之樹”簡(jiǎn)圖，徹底改變他的自然神學(xué)觀，也因此逐步改變了整個(gè)人類的世界觀。一個(gè)半世紀(jì)以來(lái)，達(dá)爾文猜想以其神奇的魅力“引無(wú)數(shù)英雄競(jìng)折腰”：自德國(guó)著名進(jìn)化論者赫格爾1866年首次嘗試構(gòu)建第一幅生命樹圖以來(lái)，有數(shù)不清的生物學(xué)家和古生物學(xué)家從不同層面提出過(guò)各種各樣的譜系演化圖。“生命之樹”極為龐大，它可以按照演化等級(jí)和營(yíng)養(yǎng)方式細(xì)分為若干種亞樹：“原核生命樹”、“植物樹”、“真菌樹”和“動(dòng)物樹”等。無(wú)疑，人類對(duì)包括自身在內(nèi)的“動(dòng)物樹”最為關(guān)切；現(xiàn)代動(dòng)物學(xué)家所關(guān)注的是“今日之樹”的重建，而古生物學(xué)家最鐘情的乃是古動(dòng)物“源頭之樹”的實(shí)證。盡管進(jìn)化生物學(xué)家長(zhǎng)期探索并不斷接近真理，但時(shí)至今日，我們離達(dá)爾文猜想的完全證明仍有很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)的距離。顯然，完成對(duì)這類意義特別重大的科學(xué)猜想的證明，比數(shù)學(xué)界的哥德巴赫猜想、龐加萊猜想的證明要艱巨得多！地球上38億年生命演化史經(jīng)歷了無(wú)數(shù)大大小小的創(chuàng)新事件，其中影響最為深遠(yuǎn)的有三次：生命起源、真核生物的出現(xiàn)和動(dòng)物界的形成。前兩次事件“靜悄悄”地進(jìn)行，發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)不詳，極少留下可供追尋的記錄；而后一事件卻開展得如此轟轟烈烈，以致在隱生宙與顯生宙轉(zhuǎn)折處形成了陣陣“爆發(fā)式”景觀，而且留下豐富多彩的化石記錄，使我們得以逐步辨識(shí)出早期動(dòng)物樹框架形成的歷史軌跡。有關(guān)化石的討論，探索遠(yuǎn)古生物，普及科學(xué)知識(shí)。除了最低等的“準(zhǔn)動(dòng)物”海綿之外，整個(gè)動(dòng)物界可以劃分為雙胚層動(dòng)物、原口動(dòng)物、后口動(dòng)物三個(gè)亞界。人們開始取得共識(shí)，寒武紀(jì)大爆發(fā)包括三個(gè)主要階段：前寒武末期的埃迪卡拉紀(jì)的爆發(fā)“前奏期”或“引線期”、寒武紀(jì)初梅樹村期的爆發(fā)“序幕期”以及約1000萬(wàn)年后澄江化石庫(kù)時(shí)代的爆發(fā)“主幕期”。半個(gè)多世紀(jì)的大規(guī)模調(diào)查研究告訴人們，這三個(gè)階段大體上與三個(gè)動(dòng)物亞界的起源及首次大輻射分別對(duì)應(yīng)。在這里，我國(guó)幾個(gè)得天獨(dú)厚化石庫(kù)的探索研究發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。貴州埃迪卡拉紀(jì)甕安生物群中分析出了可信的微小雙胚層動(dòng)物和動(dòng)物胚胎化石；華南梅樹村期門類多樣的“小殼化石”代表著原口動(dòng)物譜系的首次大輻射；尤其值得一提的是，早寒武世澄江化石庫(kù)所代表的爆發(fā)“主幕”已誕生出完整的早期后口動(dòng)物譜系。至此，大爆發(fā)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了動(dòng)物樹整體輪廓的構(gòu)建，從而奠定了今天動(dòng)物界的框架。換句話說(shuō)，時(shí)代更晚的加拿大布爾吉斯頁(yè)巖化石庫(kù)極少提供動(dòng)物界門類增加的新信息。這意味著，無(wú)論是在保存規(guī)模和質(zhì)量還是在進(jìn)化生物學(xué)的歷史地位上，澄江化石庫(kù)已經(jīng)明顯超越了布爾吉斯頁(yè)巖。這一“超越”是多方面的，但最集中的亮點(diǎn)是首次勾勒出從古蟲動(dòng)物門到最原始脊椎動(dòng)物T'天下第一魚”的早期后口動(dòng)物完整譜系；這恰好與追尋人類早期始祖密切相關(guān)。我們?nèi)祟愔阅軌蛑绷?，關(guān)鍵在脊椎；我們由于智能所帶來(lái)的一切成功均源于頭顱；能保證我們進(jìn)行各種運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器是心臟。而后口動(dòng)物譜系中最早最原始的脊椎、頭顱和心臟皆始見于'天下第一魚”昆明魚和海口魚！如果繼續(xù)往前步步追溯，后口動(dòng)物譜系的根底類群會(huì)是什么？很可能就是初具鰓裂構(gòu)造的古蟲動(dòng)物門；正是鰓裂的出現(xiàn)，引發(fā)了動(dòng)物在取食和呼吸方式上的革命性進(jìn)步。當(dāng)然，我們還應(yīng)該清醒，要最終搞清寒武紀(jì)大爆發(fā)三個(gè)階段一脈相承的內(nèi)涵以及爆發(fā)的內(nèi)因和外因機(jī)制，仍然任重道遠(yuǎn)。2009-03-2608:11:22寒武紀(jì)生命大爆發(fā)原因探討寒武爆發(fā)吸引了無(wú)數(shù)的古生物學(xué)家和進(jìn)化論者去尋找證據(jù)探討其起因。100多年以來(lái)的證據(jù)產(chǎn)生出解釋寒武爆發(fā)的兩種基本觀點(diǎn)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，寒武爆發(fā)是一種假象，這是某些達(dá)爾文或新達(dá)爾主義者所持的觀點(diǎn)。由于進(jìn)化是漸進(jìn)的，所謂的“爆發(fā)”只是表明首次在生物化石記錄中發(fā)現(xiàn)了早在前寒武紀(jì)就已經(jīng)廣泛存在并發(fā)展的生物，其它的生物化石群則可能由于地質(zhì)記錄的不完全而“缺檔”，造成這種“缺檔”的原因是前寒武紀(jì)地層經(jīng)歷著熱與壓力，其中的化石被銷毀了。由于發(fā)現(xiàn)前寒武紀(jì)化石沉積層中存在大量象細(xì)菌和藍(lán)藻這樣簡(jiǎn)單的原核生物，因而這一解釋不再有說(shuō)服力。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，寒武爆發(fā)代表了生物進(jìn)化過(guò)程中的真實(shí)事件，科學(xué)家從物理環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的變化兩個(gè)方面來(lái)解釋這一現(xiàn)象。1965年，兩位美國(guó)物理學(xué)家提出了寒武爆發(fā)是由于地球大氣的氧水平這個(gè)物理因素造成的。他們認(rèn)為，在早期地球的大氣中含有很少或根本就沒有自由氧，氧是前寒武紀(jì)藻類植物光合作用的產(chǎn)物并逐漸積累形成的。后生動(dòng)物需要大量的氧，一方面用于呼吸作用，另一方面氧還以臭氧的形式在大氣中吸收大量有害的紫外線，使后生動(dòng)物免于有害輻射的損傷。生物學(xué)家則從生物本身的生態(tài)關(guān)系來(lái)探討這一問(wèn)題，因?yàn)榈刭|(zhì)學(xué)的證據(jù)否定了這種氧理論的觀點(diǎn)。大約在距今10億年至20億年之間廣泛沉積層中含有大量嚴(yán)重氧化的巖石，這說(shuō)明在這一時(shí)期內(nèi)已經(jīng)存在足夠生命爆發(fā)的氧條件。因而生物學(xué)家從兩個(gè)重要事件的出現(xiàn)來(lái)探索造成寒武爆發(fā)的原因，即有性生殖的產(chǎn)生和生物收割者的出現(xiàn)。從化石資料來(lái)看，真核藻類大約在9億年前出現(xiàn)了有性生殖，實(shí)際上，有性生殖出現(xiàn)得更早。有性生殖的發(fā)生在整個(gè)生物界的進(jìn)化過(guò)程中有著極其重大的作用，由于有性生殖提供了遺傳變異性，從而有可能進(jìn)一步增加了生物的多樣性，這是造成寒武爆發(fā)的原因之一。生物收割者假說(shuō)是美國(guó)生態(tài)學(xué)家斯坦利提出的，是一種解釋寒武爆發(fā)的生態(tài)學(xué)理論，即收割原則。斯坦利認(rèn)為，在前寒武紀(jì)的25億年的多數(shù)時(shí)間里，海洋是一個(gè)以原核藍(lán)藻這樣簡(jiǎn)單的初級(jí)生產(chǎn)者所組成的生態(tài)系統(tǒng)。這一系統(tǒng)內(nèi)的群落在生態(tài)學(xué)上屬于單一不變的群落，營(yíng)養(yǎng)級(jí)也是簡(jiǎn)單唯一的。由于物理空間被這種種類少但數(shù)量大的生物群落頑強(qiáng)地占據(jù)著，所以這種群落的進(jìn)化非常緩慢，從未有過(guò)豐富的多樣性。寒武爆發(fā)的關(guān)鍵是草食收割者的出現(xiàn)和進(jìn)化，即食用原核細(xì)胞（藍(lán)藻）的原生動(dòng)物的出現(xiàn)和進(jìn)化。收割者為生產(chǎn)者有更大的多樣性制造了空間，而這種生產(chǎn)者多樣性的增加又導(dǎo)致了更特異的收割者的進(jìn)化。營(yíng)養(yǎng)級(jí)金字塔按兩個(gè)方向迅速發(fā)展：較底層次的生產(chǎn)者增加了許多新物種，豐富了物種多樣性，在頂端又增加了新的“收割者”，豐富了營(yíng)養(yǎng)級(jí)的多樣性。從而使得整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性不斷豐富，最終導(dǎo)致了寒武紀(jì)生命大爆發(fā)的產(chǎn)生。對(duì)于“收割理論”科學(xué)家們目前還沒有找到直接的證據(jù)來(lái)證明其正確性，然而，一些間接的證據(jù)支持了這一理論。間接證據(jù)之一來(lái)自于前寒武紀(jì)疊層石，這些由藻類組成的疊層石中保存了前寒武紀(jì)最豐富的生產(chǎn)者群落。今天，疊層石僅盛產(chǎn)于缺少后生動(dòng)物收割者的貧瘠環(huán)境中，如超鹽量的咸水湖中。藻類在前寒武紀(jì)地層中的大量存在，大概反映了當(dāng)時(shí)收割者的貧乏。另外，生態(tài)學(xué)野外研究也提供了一些間接的證據(jù)，研究表明，在一個(gè)人工池塘中，放進(jìn)捕食性魚，會(huì)增加浮游生物的多樣性；從多樣的藻類群落中去掉海膽，會(huì)使某一藻類在該群落中占統(tǒng)治地位而多樣性下降。寒武爆發(fā)作為地史上的第二大懸案一直為人們所關(guān)注。隨著化石的不斷發(fā)現(xiàn)及新理論的建立，這一地史之迷最終將大白于天下。自《生物學(xué)通報(bào)》2000年第7期美國(guó)科學(xué)家日前發(fā)現(xiàn)的證據(jù)表明，海洋中鈣的大量涌現(xiàn)可能在寒武紀(jì)大爆發(fā)中發(fā)揮了巨大作用。大約在5.3億年前，地球上的動(dòng)物經(jīng)歷了一次新生，所有現(xiàn)生動(dòng)物的祖先在這個(gè)時(shí)候進(jìn)化出了骨骼和殼體。長(zhǎng)久以來(lái)，科學(xué)家一直迷惑不解的是，究竟是什么促使了地球生命在寒武紀(jì)時(shí)突然呈現(xiàn)出豐富多彩的多樣性。動(dòng)物為什么會(huì)進(jìn)化出殼體？最明顯的理由是為了避免被吃掉。另外一個(gè)觀點(diǎn)也許有助于解釋生命的這一硬體部分為什么最初出現(xiàn)在早寒武紀(jì)：大氣中含氧量的上升讓動(dòng)物能夠建立起更為復(fù)雜的身體結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)70年代，科學(xué)家提出了一種新假設(shè)：在早寒武紀(jì)的環(huán)境中為了消化身體中突然涌現(xiàn)的鈣，海洋生物開始了殼的進(jìn)化。但是，海洋化學(xué)變化一直缺乏直接證據(jù)。保存有早寒武紀(jì)海水的微小包塊隱藏在巖石內(nèi)部?，F(xiàn)在，三位地球化學(xué)家對(duì)這些小包塊中的鈣含量進(jìn)行了測(cè)量。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查署的SeanBrennan、紐約州立大學(xué)的TimLowenstein和美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的JuskeHorita對(duì)24個(gè)可能是在5.44億年前的前寒武紀(jì)時(shí)期在海底形成的鹽晶體進(jìn)行了檢測(cè)，同時(shí)還對(duì)14個(gè)大約是在5.15億年前形成的早寒武紀(jì)樣品進(jìn)行了測(cè)試。他們將晶體打碎，分析了其中微型水滴的組成。他們?cè)?月份出版的《地質(zhì)學(xué)》中報(bào)告說(shuō)，早寒武紀(jì)的鈣含量比原生代的鈣含量至少高出3倍。研究人員指出，這些鈣應(yīng)該來(lái)自于地中海海脊火山爆發(fā)時(shí)噴入熱海水中的鈣。他們強(qiáng)調(diào)指出高水平的地殼活動(dòng)、鈣的噴入和“寒武紀(jì)大爆發(fā)”看似支持了這樣的觀點(diǎn)：即早期生命演化出殼和骨骼是為了解決海水中鈣含量升高而造成的潛在毒性。美國(guó)堪薩斯大學(xué)的地質(zhì)學(xué)家RobertGoldstein說(shuō)，海水化學(xué)性質(zhì)影響生命進(jìn)化的觀點(diǎn)令人激動(dòng)。他說(shuō)，雖然需要做更多的工作才能明白海洋中的鈣究竟是生命進(jìn)化的原因或是結(jié)果，但鈣應(yīng)該是個(gè)重要因素。其它的環(huán)境因素也是重要的。病毒是寒武紀(jì)物種大爆發(fā)的重要參與者病毒是寒武紀(jì)物種大爆發(fā)的重要參與者發(fā)現(xiàn)寒武紀(jì)物種爆發(fā)的證據(jù)1984年7月1日注定是一個(gè)要載入生物史冊(cè)的日子，云南"澄江動(dòng)物群”化石的發(fā)現(xiàn)為寒武紀(jì)物種大爆發(fā)提供了重要證據(jù)，使學(xué)術(shù)界在物種進(jìn)化到底是連續(xù)性還是跳躍式發(fā)展的問(wèn)題上繼續(xù)爭(zhēng)論不休。這天，中國(guó)科學(xué)院南京古生物所的侯先光在云南澄江縣的帽天山，發(fā)現(xiàn)一塊形狀奇特又保存完整的化石，他判斷是一塊寒武紀(jì)早期的無(wú)脊椎動(dòng)物化石。而這僅僅是一個(gè)欣喜的開端，當(dāng)天他又發(fā)現(xiàn)了三塊后來(lái)經(jīng)鑒定分別是納羅蟲、腮蝦蟲和尖峰蟲的化石，從此侯先光打開了一扇古生物寶藏的大門，在接下來(lái)的數(shù)天里，又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了節(jié)肢動(dòng)物、水母、蠕蟲等許多同時(shí)期的古生物化石。后來(lái)，他與導(dǎo)師張文堂教授，撰寫了《納羅蟲在亞洲大陸的發(fā)現(xiàn)》一文并在國(guó)際上引起轟動(dòng)。這批后來(lái)被命名為“澄江動(dòng)物群”的化石經(jīng)技術(shù)處理復(fù)原后，為人們揭開了生活在5.3億年前海底世界里各種古生物的神秘面紗。這些生物種類之豐富、保存之完整前所未見，澄江的動(dòng)物化石因此聞名世界?！俺谓瓌?dòng)物群”是迄今世界發(fā)現(xiàn)的最古老、保存最完好的多門類動(dòng)物群。幾乎現(xiàn)生動(dòng)物的所有門類，都能在澄江化石群里找到它們的遠(yuǎn)祖代表。有學(xué)者用'神跡”來(lái)描述寒武紀(jì)的物種大爆發(fā)，因?yàn)檫@么多門類、多形態(tài)的生命在同一時(shí)期產(chǎn)生，并且已具備生命物種最初的復(fù)雜性，使一些人有理由據(jù)此提出是上帝選擇了寒武紀(jì)作為創(chuàng)造生命的時(shí)期，進(jìn)而對(duì)達(dá)爾文的漸進(jìn)連續(xù)的生物進(jìn)化論提出詰難。達(dá)爾文進(jìn)化論受到挑戰(zhàn)物種間在寒武紀(jì)發(fā)生了突變，這是科學(xué)家對(duì)“澄江動(dòng)物群”研究后得出的一個(gè)重要結(jié)論，這個(gè)發(fā)現(xiàn)使他們?nèi)杠S不已。各類動(dòng)物似乎在寒武紀(jì)時(shí)期一夜之間從天而降，并非經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的演化而來(lái)。地球生命出現(xiàn)已38億年了，但在距今5.4億年的寒武紀(jì)之前，生命只是以藻類和菌類或個(gè)別簡(jiǎn)單的多細(xì)胞物種形式存在于海洋里，這點(diǎn)在1909年加拿大發(fā)現(xiàn)的埃迪卡拉化石那得到證實(shí)。寒武紀(jì)之后，大量后生動(dòng)物突然在海洋里出現(xiàn)，從單細(xì)胞藻類、菌類到多細(xì)胞后生動(dòng)物，它們以極快的演化速度使千萬(wàn)年的時(shí)間里突然出現(xiàn)了大量不同門類的動(dòng)物。地球上現(xiàn)存的物種幾乎都是它們的后代。如果按照達(dá)爾文的設(shè)想，物種的變化是各種微小變化的累積、進(jìn)化應(yīng)該是連續(xù)不斷的話，顯然無(wú)法解釋寒武紀(jì)物種變化的現(xiàn)象。當(dāng)科學(xué)家從化石中發(fā)現(xiàn)在寒武紀(jì)突然出現(xiàn)了三葉蟲時(shí)，這就動(dòng)搖了進(jìn)化論的基礎(chǔ)。曾全力支持達(dá)爾文進(jìn)化論的赫胥黎，私下多次勸告達(dá)爾文接受跳躍式的進(jìn)化觀點(diǎn)，并警告說(shuō)，"你這樣毫無(wú)保留地接受自然界絕無(wú)躍進(jìn)的觀點(diǎn)，使你陷入不必要的困難之中?！倍_(dá)爾文深知，他的學(xué)說(shuō)最具吸引力、最獨(dú)到的地方乃是摒棄一切超然主義，用純自然的觀點(diǎn)解釋生物的起源。他惟有用漸進(jìn)、微小的變化來(lái)解釋復(fù)雜的大變化，才能持守他這種徹底的唯物主義立場(chǎng)。他明確地說(shuō)：“如果有人能證明，任何現(xiàn)有的復(fù)雜器官，不是從無(wú)數(shù)連續(xù)的、微小的突變而來(lái)，我的學(xué)說(shuō)就得完全瓦解了?！彼诮o他的朋友、著名地質(zhì)學(xué)家賴爾的信中，對(duì)跳躍式進(jìn)化的觀點(diǎn)提出嚴(yán)厲的批評(píng)，“如果我的自然選擇理論必須借重這種突然進(jìn)化的過(guò)程才能說(shuō)得通，我將棄之為糞土?！绻谌魏我粋€(gè)步驟中，需要加上神奇的進(jìn)步，那自然選擇理論就不值分文了?！比绻M(jìn)化真是跳躍式發(fā)展，一方面自然選擇的漸變理論將被推倒，另一方面又無(wú)人能對(duì)跳躍式發(fā)展的原因找出令人滿意的答案。詹腓力在《審判達(dá)爾文》一書中指出，“細(xì)察之下，大突變進(jìn)化的最大問(wèn)題在于，……你可將圣經(jīng)中記載的人在塵土中被造也看成是大突變。連續(xù)、漸進(jìn)的自然選擇理論既站立不住，跳躍的大突變主義又缺乏立論依據(jù)。進(jìn)化論陷入空前的危機(jī)中?！闭搽枇ι踔撂岢鰧?duì)生命的起源重新構(gòu)架，這種對(duì)達(dá)爾文學(xué)說(shuō)的否定是人們難以接受的，科學(xué)家們期待與探索新的證據(jù)與理論，以在自然科學(xué)中徹底排除神的陰影。隨著時(shí)間的推移和研究的深入，后來(lái)的科學(xué)家們對(duì)達(dá)爾文的漸變論做了修正，“達(dá)爾文在他的時(shí)代由于研究條件的限制，對(duì)生物演化的歷史了解并不是很全面，他認(rèn)為進(jìn)化應(yīng)該是慢速進(jìn)化。進(jìn)入20世紀(jì)以來(lái)，大量的科學(xué)證據(jù)表明，進(jìn)化應(yīng)該是個(gè)快速的過(guò)程，澄江動(dòng)物群就很典型?！钡珵槭裁丛诤浼o(jì)的千萬(wàn)年中物種快速發(fā)展，而寒武紀(jì)之前的幾十億年中生命長(zhǎng)期停滯在藻類、菌類或簡(jiǎn)單多細(xì)胞的形式，其間找不到任何過(guò)渡物種的化石？為什么寒武紀(jì)之后的幾億年中各種物種各自向高等類別緩慢進(jìn)化，再也沒有出現(xiàn)一次物種的快速發(fā)展，以至出現(xiàn)一個(gè)全新類型的物種呢？我們有理由相信，寒武紀(jì)前地球上必定發(fā)生了什么。生態(tài)學(xué)界對(duì)此給出的一種解釋是：在寒武紀(jì)之初，即多細(xì)胞動(dòng)物剛剛出現(xiàn)之時(shí)，可以為動(dòng)物占據(jù)的生態(tài)位都是空的，任何一種生命類型都可能找到一個(gè)適合的生存空間，因此發(fā)生了一次蔚為壯觀的輻射進(jìn)化，此后，由于所有的生態(tài)位都被占領(lǐng)，即使發(fā)生了大規(guī)模的物種絕滅，絕滅物種留下的空位也會(huì)迅速地被留存下來(lái)的物種占領(lǐng)，因而不存在產(chǎn)生動(dòng)物全新類型的機(jī)遇。但此假設(shè)的硬傷是，無(wú)法解釋寒武紀(jì)前生命在原始狀態(tài)長(zhǎng)達(dá)幾十億年緩慢進(jìn)化過(guò)程！20世紀(jì)科學(xué)的新轉(zhuǎn)機(jī)二十世紀(jì)后半葉，隨著現(xiàn)代科學(xué)的迅猛發(fā)展，分子生物學(xué)與分子病毒學(xué)日漸成熟，學(xué)者對(duì)生命本質(zhì)了解也越來(lái)越清晰，特別是基因?qū)W說(shuō)與基因工程技術(shù)的日漸成熟，使得這個(gè)難題有可能得到合理解釋。生物遺傳的核心物質(zhì)是基因，物種的本質(zhì)是基因的種類或差異，生命的進(jìn)化從根本上理解是基因組的進(jìn)化；生物基因組的發(fā)展記錄了生命每一步進(jìn)化的痕跡，生物越復(fù)雜，它所需要的最小基因組也就越大，從支原體到高等植物和高等動(dòng)物，基因從數(shù)量上和種類上隨著物種的進(jìn)化發(fā)生了巨大的變化?；蚪M研究發(fā)現(xiàn)，一個(gè)能獨(dú)立生存的細(xì)胞所需要的最小基因組大小為1.5Mb和1500條基因，少于這個(gè)數(shù)目的物種只能淪落為寄生物種，而需要宿主細(xì)胞來(lái)提供代謝物質(zhì)完成生命周期。脊椎動(dòng)物的基因在10,000-20,000條之間，人類基因組大小為3300Mb和40,000條基因，水稻基因組也有40,000條基因。隨基因組大小與數(shù)量的發(fā)展，物種的表現(xiàn)也由低等到高等有了根本上的改變，直至人類這樣高智能的物種出現(xiàn)。到今天，人類能反過(guò)來(lái)從基因水平認(rèn)識(shí)與研究自身，并能用基因這個(gè)工具來(lái)改造物種?；蜓芯堪l(fā)現(xiàn)基因復(fù)制增加是基因組進(jìn)化的主要?jiǎng)恿χ唬@種復(fù)制不是指細(xì)胞繁殖過(guò)程中的復(fù)制形式，而是一個(gè)基因組中因額外復(fù)制產(chǎn)生兩個(gè)相同的基因，重復(fù)的基因可以因突變而發(fā)生差異，這種差異是以每100萬(wàn)年約1%的速率累積，可以逐步演變成與原先功能不同的基因，如果新基因的產(chǎn)物對(duì)物種自身是有害的，那帶有這種新基因的個(gè)體就被自然選擇所去除，如果是有益的，就會(huì)逐步擴(kuò)展到整個(gè)群體而固定下來(lái)。由于不同功能基因的增加，物種的結(jié)構(gòu)、表型和功能比原先的物種復(fù)雜了。這種基因組的進(jìn)化從時(shí)間上說(shuō)是漫長(zhǎng)的，同源基因序列的差異與時(shí)間成正比，因此可以作為進(jìn)化鐘，計(jì)算同源基因任何兩個(gè)成員間產(chǎn)生趨異的時(shí)間，以人的珠蛋白為例，一個(gè)同源基因完成完全的分離至少需要一億年時(shí)間。這樣的進(jìn)化一般不會(huì)使新物種與原來(lái)的物種之間發(fā)生根本的改變，只是在原基礎(chǔ)上的更新。如果用這種基因組的進(jìn)化機(jī)制解釋達(dá)爾文的進(jìn)化論是非常完美的，給達(dá)爾文的物種變化是各種微小變化累積的連續(xù)進(jìn)化論提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。從脊柱動(dòng)物的出現(xiàn)到高等哺乳動(dòng)物人類的出現(xiàn)，基因組的基因數(shù)量翻了1~2倍，兩者期間間隔的5億年時(shí)間足以使物種的微小變化完成這樣的累積?；蚪M進(jìn)化的另一種動(dòng)力是外源基因的加入，這是因歷史與科學(xué)發(fā)展水平的原因達(dá)爾文沒有想到的。二十世界七十年代細(xì)胞融合技術(shù)和單克隆抗體的產(chǎn)生是分子生物學(xué)和免疫學(xué)發(fā)展史中重要的里程碑，這種技術(shù)就是將能產(chǎn)生某一種抗體的B淋巴細(xì)胞與小鼠腹水瘤細(xì)胞融合，融合的細(xì)胞既有瘤細(xì)胞長(zhǎng)期繁殖傳代的特性，又能生成某種特定的抗體。融合瘤細(xì)胞是外源基因促使基因組發(fā)展的一個(gè)實(shí)例，證明外源基因的加入也是基因組進(jìn)化的一種機(jī)制。而病毒感染是自然界外源基因進(jìn)入細(xì)胞典型的實(shí)例，病毒是寄生物種，它自身的基因組不足以完成自我生命周期，每一種病毒必須主動(dòng)入侵某種特定的宿主細(xì)胞，在宿主細(xì)胞代謝系統(tǒng)的協(xié)助下，表達(dá)病毒基因組的產(chǎn)物和自我復(fù)制，來(lái)維持自身的延續(xù)，病毒的另一種運(yùn)動(dòng)方式是將基因組成分溶入宿主基因組，隨宿主細(xì)胞的繁殖分裂傳至下一代。在分子生物實(shí)驗(yàn)室，一些病毒經(jīng)改造已發(fā)展成為人類理想的基因載體，在醫(yī)學(xué)研究和基因治療中發(fā)揮重要的作用。在細(xì)胞生命活動(dòng)中有一種內(nèi)共生現(xiàn)象，如細(xì)胞可以吞噬或感染一些更小些的生命顆粒，容忍其在細(xì)胞內(nèi)持續(xù)存在，如質(zhì)粒與病毒等，這些細(xì)小生命顆粒有獨(dú)立的基因組和復(fù)制子，這些獨(dú)立的基因組和細(xì)胞核的基因組在進(jìn)化過(guò)程中可以相互轉(zhuǎn)移，這樣細(xì)胞就將外源基因演變?yōu)榧河?。由于病毒具有入侵?xì)胞的主動(dòng)性，因此是物種外源基因參入的最主要源流，這種參入比較因細(xì)胞自身基因突變而產(chǎn)生新基因顯得更直接更快捷;也由于病毒這種入侵細(xì)胞的的特性使其可以成為基因的使者，當(dāng)一種病毒基因侵入細(xì)胞而帶入的基因以及基因產(chǎn)物對(duì)細(xì)胞發(fā)展有利時(shí)，基因就會(huì)得以保留，并將新基因和其賦予的新特征傳給子代，發(fā)展成為新的群體；如對(duì)細(xì)胞不利時(shí)，則自然淘汰。有人推測(cè)真核細(xì)胞中核的出現(xiàn)就是原核細(xì)胞（比真核細(xì)胞更原始更低等的細(xì)胞）吞噬了大的病毒顆粒演化而成的，病毒促使了原核細(xì)胞向真核細(xì)胞的進(jìn)化。由于自然界病毒數(shù)量和種類的巨大（估計(jì)海洋中有1030病毒），加上病毒基因易變的特征，可以說(shuō)病毒為被入侵的細(xì)胞所提供的新基因的廣度（數(shù)量）、寬度（種類）和深度（結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性）幾乎是無(wú)限的，然后由自然選擇對(duì)因新基因加入而發(fā)生新特征演化的生物個(gè)體進(jìn)行最佳篩選，逐步形成這個(gè)萬(wàn)物眾生千姿百態(tài)的生命世界。以病毒方式促使物種基因組的發(fā)展是以物種的傳代而累積擴(kuò)展的，一個(gè)簡(jiǎn)單物種如單細(xì)胞生物的傳代是以分計(jì)算的，如今在任何一個(gè)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，用一個(gè)病毒載體將一個(gè)新的基因轉(zhuǎn)入細(xì)胞并形成一個(gè)表達(dá)克?。ㄒ蝗合嗤募?xì)胞）是以天計(jì)算的；而一個(gè)較復(fù)雜的兩棲類物種的傳代也僅以年計(jì)算，因此由病毒帶入外源基因造成物種基因組的發(fā)展速度是自然突變速度的幾個(gè)或幾十個(gè)數(shù)量級(jí)，再加上外源基因的異源性和多彩性，因此導(dǎo)致物種的快速進(jìn)化、分化以及多樣性主要是外源基因（病毒）帶來(lái)的。我們可以合理地推測(cè)外源性的病毒基因參與是寒武紀(jì)物種大爆發(fā)和物種躍進(jìn)式進(jìn)化的物質(zhì)基礎(chǔ)，“寒武紀(jì)物種大爆發(fā)”是病毒給大自然帶來(lái)的禮物。在這個(gè)時(shí)期物種發(fā)展與分化的速度與古生代的年紀(jì)相比是如此短暫，造成各種新發(fā)展的物種出現(xiàn)在以百萬(wàn)年計(jì)的同時(shí)代地層，給人們?cè)斐赏蝗怀霈F(xiàn)當(dāng)今所有生物門類的假象，其實(shí)對(duì)于生命來(lái)說(shuō)，幾百萬(wàn)年、千萬(wàn)年也是夠漫長(zhǎng)的了。達(dá)爾文時(shí)代人們還未認(rèn)識(shí)病毒這個(gè)巨大的物種，達(dá)爾文于1882年去世，1898年荷蘭科學(xué)家貝杰林克發(fā)現(xiàn)病毒，1961年生物學(xué)家才發(fā)現(xiàn)基因的物質(zhì)基礎(chǔ)是核酸。達(dá)爾文沒有認(rèn)識(shí)到物種的進(jìn)化有內(nèi)在的變異因素與外來(lái)因素的加入兩種方式，但他堅(jiān)信他的生物進(jìn)化學(xué)說(shuō)是真理，當(dāng)他的學(xué)說(shuō)與事實(shí)發(fā)生無(wú)法解釋的沖突對(duì)他來(lái)說(shuō)是多么的痛苦，要他來(lái)解釋寒武紀(jì)的物種大爆發(fā)超越了當(dāng)時(shí)的歷史條件和科技水平。寒武紀(jì)物種大爆發(fā)和病毒的起源但是為什么物種大爆發(fā)在寒武紀(jì)發(fā)生呢？為什么病毒在寒武紀(jì)發(fā)揮它的威力呢？一個(gè)合理的解釋就是病毒是在寒武紀(jì)前葉出現(xiàn)的。早在20世紀(jì)80年代，古生物學(xué)家就在寒武紀(jì)三葉蟲首現(xiàn)層以下的樣品中，發(fā)現(xiàn)了極高的銥異常。以后,在長(zhǎng)江三峽的中部以及云南的澄江地區(qū)，通過(guò)對(duì)寒武紀(jì)底界的地質(zhì)樣品的分析，也發(fā)現(xiàn)了銥異常。銥異常是隕星撞擊地球的可靠標(biāo)志。這意味著在寒武紀(jì)前期,地球曾頻繁地受隕星的撞擊。高密度或大的隕星撞擊，給地球帶來(lái)災(zāi)難和死亡，寒武紀(jì)前的埃迪卡拉動(dòng)物很可能正是隕星撞擊地球的犧牲品。我們可以推測(cè)正是寒武紀(jì)前期頻繁的隕星撞擊地球這種極端的環(huán)境條件下，由于惡劣的生存狀態(tài)，使一些細(xì)胞的基因組成分的丟失，退化成為病毒樣的結(jié)構(gòu)，這種以核酸為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)更能抵御惡劣的自然環(huán)境；同時(shí)由于環(huán)境惡劣程度的差異，細(xì)胞基因組丟失的成分與數(shù)量也不同，因此隨機(jī)形成復(fù)雜程度不同的各類病毒，以特有的無(wú)生命的狀態(tài)而保留下來(lái)。進(jìn)入寒武紀(jì)，地球生存條件改善，這些病毒通過(guò)入侵或吞噬獲得進(jìn)入細(xì)胞的機(jī)會(huì)，與經(jīng)過(guò)劫難殘留下來(lái)細(xì)胞物種共同促成了物種大爆發(fā)。因此說(shuō)病毒是寒武紀(jì)物種大爆發(fā)的重要參與者，另一個(gè)需要補(bǔ)充解釋的問(wèn)題是，病毒的發(fā)生有內(nèi)源性與外源性（細(xì)胞退化）兩種方式，（見前博文，病毒的起源。）內(nèi)源性病毒的發(fā)生與上述機(jī)制無(wú)關(guān)，內(nèi)源性病毒基因的摻入與自身基因的增加和異化機(jī)制相似，病毒也沒有向復(fù)雜化和大型化進(jìn)化的機(jī)制。促進(jìn)物種快速進(jìn)化的是帶有復(fù)制、異源、隨機(jī)生存的外源性病毒，因?yàn)檫@類病毒因細(xì)胞退化的隨機(jī)性，造成發(fā)生的病毒基因組的多樣性與復(fù)制性，因此說(shuō)是寒武紀(jì)前夕因地球環(huán)境惡變而生成的外源性病毒促成了物種大爆發(fā)。在生命發(fā)展的低級(jí)階段，細(xì)胞沒有對(duì)抗病毒的機(jī)制，因此接受