寒武纪大爆发与进化论

1. 寒武纪大爆发与进化论

寒武纪生命大爆发原因何在？5.4亿年前的事件，真能推翻进化论？

2. 生命大爆发的寒武纪，当时生物进化的速度有多快？

进化论的创始人达尔文说，生物是随着环境的变化而渐渐地进化的，可是他说错了。地球上大多数的生物都不是渐渐地进化的，而是在某个时期爆发式地完成了进化。

把时间倒回320万年前，当时地球上第一次出现了用双足直立行走的南方古猿；倒回到6500万年前，繁荣了2亿年的恐龙灭绝了；而寒武纪则比这两个时代还要早大约5亿年，当时生命世界里发生了“寒武纪大爆发”事件，超乎我们想象的各种奇妙生物，在不到1000万年时间里相继出现，占据了海洋。
中国澄江有最真实的“爆发”记录
世界上有两个地方保存了最完好的寒武纪时代的化石记录：一个是加拿大西海岸的洛基山脉，那儿的寒武纪化石出现在布尔吉斯页岩中；另一个是我国的云南省澄江县。
布尔吉斯页岩的化石是寒武纪中期形成的，那时大爆发事件已经过去；而澄江的化石群则形成于寒武纪刚开始的那段时间，真实地记录了各种生物从无到有的过程。
澄江位于云南省首府昆明以南50多公里，是个典型的田园牧歌地带，以前并没有被古生物学家所关注。然而1984年侯先光博士在澄江帽天山一带发现的化石，却让全世界的科学家大吃一惊，也使澄江成了研究寒武纪大爆发的热点地区。
侯先光的团队至今仍对澄江的化石进行持续不断的研究。虽然离最初的发现已经过了将近30年，但是科学价值极高的化石依然层出不穷，澄江也被列入了世界遗产候补名单。

侯先光在澄江发现的第一块化石，就是长尾纳罗虫（Naraoia）。这种生物体长不过6厘米，却有着非常先进的身体结构，它的身体中央有黑色的形似梯子的条纹，从“梯子”向身体的两侧生出许多的脚来。
像今天海洋中的虾子和螃蟹一样，它的整个身体被几丁质外骨骼包裹着。在寒武纪之前，生物的种类很少，也没有长脚、带壳的生物，可是进入寒武纪之后，各种进化的生物种类突然登场了。
侯先光是在1984年7月1日的野外考察中发现长尾纳罗虫的。回忆当时的情景，他说，由于兴奋过度，他拿着化石的手竟颤抖不停，无法控制。在接下来的若干年里，侯先光和其他研究人员又在帽天山发现了200多种化石，它们都是寒武纪大爆发的杰作。
像澄江帽天山那样，寒武纪早期的地层能跨越如此长的时期连续沉积，实属罕见，它为我们提供了解读寒武纪大爆发全过程的得天独厚的机会。在帽天山，人们还找到了寒武纪以前（科学家称其“前寒武”）和寒武纪这两个相邻时代地层的明确界线。
侯先光说，从这个界线往上，即寒武纪的地层中，至今发现了长尾纳罗虫、三叶虫等等多种多样的化石，它们都是突然出现的，是寒武纪大爆发的证据；可是在界线以下，即前寒武的地层中，却没有找到任何具有复杂身体结构的化石。

侯先光说，根据达尔文的进化理论，生物是逐渐进化的，那么在前寒武晚期的地层中应该能找到进化的中间形态的化石，可是事实证明这样的中间类型并不存在。寒武纪时代的化石是以大爆发的形式突然出现的，这说明当时生物在极短的时间里就完成了进化。
在前寒武时代，大多数生物的身体都是扁平的，没有眼睛，没有附肢，也没有外壳。德国有位著名古生物学家，名叫阿道夫•赛拉赫（Adolf Seilacher）.
他在上世纪80年代就发现前寒武的各种生物化石有一些共同特点：身体扁平，由许多个房室相连而成，整个身体就像一张气垫；没有摄食器官、消化器官和循环器官，是通过表皮扩散来吸收营养、排出废物的。它们与寒武纪时代出现的那些新型生物有着天壤之别。

“吃”和“被吃”是进化的动力为什么进入寒武纪之后，生物发生了跨越式进化呢？原来，海洋中肉食动物出现了，它们专门猎杀那些毫无抵抗能力的动物。动物中的弱势群体不愿成为刀俎下的鱼肉，纷纷进化出了保护性的外壳。然而道高一尺，魔高一丈，肉食动物进化出了更加强劲的牙齿，能把猎物的坚硬外壳咬得粉碎。
5亿多年前，澄江是一片浅海。住在海底的古莱得利基虫用36只脚在海底灵巧地行走，并用两只月牙形眼镜警戒地注视着四周。

中华微网虫属于弱势群体，它的食物是海底的泥巴。这种可怜的虫子与世无争，它身上的一块块“盾牌”是唯一的御敌装备。
有的动物打洞潜入泥沙中。古蛭虫（Palaeoscolex）隐藏在沙子中，窥视往来过客，伺机向猎物发起攻击。

楔形古虫结对在海中游泳。奇怪的是，它们的嘴巴永远合不上，游泳的时候也就这么一直张着嘴。寒武纪海洋的霸主，非奇虾莫属。奇虾独来独往，扫视周围，寻找可吞食之物。奇虾游泳的姿势很优美，你根本看不出它是凶残的猎食动物。
在澄江，人们还发现了无脊椎动物的粪化石。从其中的一块粪化石中，研究人员发现了密密麻麻的高肌虫（Kunmingella）壳体。高肌虫是一种微小的海洋动物，体长只有5毫米左右。从粪中发现大量的高肌虫，进一步证实了当时生物之间存在着“吃”和“被吃”的关系。

寒武纪是各种生物爆发般出现的时代，也是生物间弱肉强食的关系形成的时代。弱肉强食的丛林法则，居然成了生物色彩进化的动力。帕克博士发现的那些拥有光栅结构的彩色生物，就是在这样的险恶环境中产生的。

3. 寒武纪的生物大爆发

寒武纪生命大爆发（Cambrian Explosion）：被称为古生物学和地质学上的一大悬案，自达尔文以来就一直困扰着进化论等学术界。大约6亿年前，在地质学上称做寒武纪的开始，绝大多数无脊椎动物们在几百万年的很短时间内出现了。这种几乎是“同时”地、“突然”地出现在寒武纪地层中门类众多的无脊椎动物化石（节肢动物、软体动物、腕足动物和环节动物等），而在寒武纪之前更为古老的地层中长期以来却找不到动物化石的现象，被古生物学家称作“寒武纪生命大爆发”，简称“寒武爆发”。达尔文在其《物种起源》的著作中提到了这一事实，并大感迷惑。他认为这一事实会被用做反对其进化论的有力证据。但他同时解释到，寒武纪的动物一定是来自前寒武纪动物的祖先，是经过很长时间的进化过程产生的；寒武纪动物化石出现的“突然性”和前寒武纪动物化石的缺乏，是由于地质记录的不完全或是由于老地层淹没在海洋中的缘故。

4. 寒武纪生物大爆发的时间

寒武纪生命大爆发的真正原因
寒武纪生命大爆发被称为古生物学和地质学上的一大悬案。寒武纪生命大爆发自达尔文以来就一直困扰着进化论等学术界。大约6亿年前，在地质学上称做寒武纪的开始，绝大多数无脊椎动物门在只2000多万年时间内出现了。这种几乎是“同时”地、“突然”地在2000多万年时间内出现在寒武纪地层中门类众多的无脊椎动物化石(节肢动物、软体动物、腕足动物和环节动物等)，而在寒武纪之前更为古老的地层中长期以来却找不到动物化石的现象，被古生物学家称作“寒武纪生命大爆发”，简称“寒武爆发”。
达尔文在其《物种起源》的著作中提到了这一事实，并大感迷惑。他认为这一事实会被用做反对其进化论的有力证据。但他同时解释到，寒武纪的动物的祖先一定是来自前寒武纪动物，是经过很长时间的进化过程产生的；寒武纪动物化石出现的“突然性”和前寒武纪动物化石的缺乏，是由于地质记录的不完全或是由于老地层淹没在海洋中的缘故。这就是至今仍被国际学术界列为“十大科学难题”之一的“寒武纪生命大爆发”。 依照传统和经典的生物学理论，即达尔文生物进化认为，生物进化经历了从水生到陆地、从简单到复杂、从低级到高级的漫长的演变过程，这一过程是通过自然选择和遗传变异两个车轮的缓慢滚动逐渐实现的。
科学家们为揭示“寒武纪大爆发”的原因提出了种种假说。陈均远研究员提出寒武纪生物突变具有极明显的自发性进化行为的设想；舒德干教授提出“寒武纪暖水与冷水两大古生物地理分区"的假说等，但目前还没有一个清晰、证据确凿、令人信服的解释。
寒武纪生命大爆发吸引了无数的古生物学家和进化论者去寻找证据探讨其起因，但都没有找到寒武纪生命大爆发的真正原因，所以把寒武纪生命大爆发认为是反对进化论的有力证据。
地球膨裂说认为“雪球地球’冰期后地温急聚升高是寒武纪生命大爆发的真正原因。“雪球地球”理论认为，地球在距今7.5亿到5.8亿年前曾经经历了一次极其严重而漫长的冰河时代——瓦兰吉尔期。当时不仅陆地全部被冰川覆盖，海洋表面也被完全冻结，液态水靠来自地球核心的热量支持，存在于1公里厚的冰层下。如果从太空看，地球完全是一巨大的“雪球”。“雪球地球”假说最早由美国地质学家约瑟夫·可西文克博士1992年首先提出。“雪球地球”的假说有哪些根据？第一，地球在距今6亿到8亿年间广泛发育了一层或多层称为“冰积岩”的冰川沉积，它代表了全球性的寒冷气候。最著名的一次冰期发生在距今6亿年左右，几乎在现今所有大陆上都留下了可靠的记录，地质学上称为瓦伦格冰期。不管怎样，在地球上很好保存了距今6亿到8亿年的地层中，几乎都能找到同期的冰川沉积。很显然，这个寒冷气候是一个全球性事件。第二，在地球的历史中，很多数据表明，地球在距今6到8亿年间，冰积岩大多沉积在中、低纬度附近，换句话说，也就是赤道和赤道附近，也是陆地主要分布的区域。这方面的资料得出这个结论：广泛的寒冷气候发生在地球的赤道及其附近区域。
地球膨裂说认为，虽然生命在38亿年前形成，但因为地球逐渐变冷，直到8亿年前的“雪球地球”时期的零下50度，冰层12000米厚，物种的进化速度非常缓慢。
  “雪球”为什么解冻，变成现在这样的地球，地球膨裂说认为，8亿年前，由于地球内部的放射性物质不断衰变放出热量，使地球发生较大膨裂，造成大量岩浆喷出地壳，使地球的气温急聚升高，冰川溶化，冰臼就是在这一时期形成的。地球气温从震旦纪（8亿年前）的摄氏零下50度，上升到现在的最高温度摄氏58度，8亿年上升了108度，地球的气温平均每1千万年自然升高1.35摄氏度。
地球膨裂说认为，8亿年前地球的气温急聚升高，非常适合生物繁衍，进化速度急聚增加，所以发生了寒武纪生命大爆发。
作者：赖柏林

5. 寒武纪生命大爆发的介绍

寒武纪生命大爆发（Cambrian Explosion）被称为古生物学和地质学上的一大悬案──寒武纪生命大爆发，自达尔文以来就一直困扰着进化论等学术界。大约5亿4200万年前到5亿3000万年前，在地质学上称做寒武纪的开始，绝大多数无脊椎动物门在这2000多万年时间内出现了。这种几乎是“同时”地、“突然”地在2000多万年时间内出现在寒武纪地层中门类众多的无脊椎动物化石(节肢动物、软体动物、腕足动物和环节动物等)，而在寒武纪之前更为古老的地层中长期以来却找不到动物化石的现象，被古生物学家称作“寒武纪生命大爆发”，简称“寒武爆发”。这也是显生宙的开始。

6. 寒武纪大爆发

“寒武纪大爆发”这一词源于英文“Cambrian explosion”，是指寒武纪初期多门类生物的大规模的突然出现。达尔文曾注意到这个现象，意识到这个问题如果得不到合理的解释，已经建立起来的进化论就会遇到严重的挑战。
1.小壳化石
小壳化石是指在前寒武系/寒武系界线附近开始出现，在寒武纪初大量繁盛和分异，个体微小，具有硬壳的多门类海生无脊椎动物。它不是一个生物分类单元名称。小壳化石包括软舌螺、似牙形石、软体动物、可能与腕足类有亲缘关系的双壳瓣化石以及大量多种生物分类位置不明的化石（锥石类、叶足类等）。发现于西伯利亚地台、中国、蒙古、哈萨克斯坦、伊朗、东欧地台、东南欧、北美、澳大利亚、非洲和南极。
2.澄江生物群
澄江生物群产于我国云南省澄江县抚仙湖东北帽天山地区的早寒武世玉案山组，距今约5.3亿年。澄江生物群是在特异保存条件下，保存了生物生前未矿化的软体部分，属于特异埋藏生物群，是软躯体化石宝库之一，被国际学术界誉为“二十世纪最惊人的发现”。

图6-5 后生动物分支系统

该生物群包括藻类、分类位置不明的管栖生物、海绵动物、开腔骨类、腔肠动物类（含栉水母类）、曳鳃动物类、叶足类、纤毛环超门类群（包括：软舌螺类、水母状动物、帚虫类、腕足类）、环节动物类、节肢动物类以及脊索动物等（图6-6）。
澄江生物群所展示的演化模式与达尔文所预示的模式完全不同。它不但证实了大爆发式演化事件在5.3亿年前确实曾经发生，最令人震撼的则是这一事件发生在短短数百万年期间，几乎所有现生动物的门类和许多已灭绝了的生物突发式地出现于寒武纪地层，而在更老的地层却完全没有其祖先型的生物化石发现。

图6-6 澄江生物群复原图

（自陈均远等，1996）
1—Amplactobulua（巨虾）；1a—Anomalocaris（奇虾）；2—Eldonia（依尔东钵）；3—Saperion（谜虫）；4—栉水母类；5—螺旋藻；6—Megaspinella（宏螺旋藻）；7—Yujnessia（约克那斯藻）；8—Sinocylindra（中华细丝藻）；9—Waptia（瓦普塔虾）；10—Isoxys（等刺虫）；11—Banffia（斑府虾）；12—Vetulicolanidla（古虫）；13—棘皮动物；14—Leptomitella（小细丝海绵）；15—Tiajengia（尖峰虫）；16—Choia（斗蓬海绵）；17—Leptomitus（细丝海绵）；18、42—开腔骨类；19—栉水母类；20—Crumllospongia（钱包海绵）；21—Cindarella（灰姑娘虫）；22—Rotadiscus（轮盘钵）；23—Kuanyangia（开扬虫属）；24—Alalcomenaeus（始虫）；25—Hazelia（海扎海绵）；26—Urokodia（尾头虫）；27—Eoredlichia（始莱得利基虫）；28—Yunanocephalus（云南头虫）；29—Wut⁃ingaspis（武定虫）；30—软舌螺类；31—腔肠动物；32—Halichondrites（软骨海绵）；33—Quadrolaminiella（四层海绵）；34—Cardiodictyon（心网虫）；35—Retifacies（网面虫）；36、39—Xandarella（海怪虫）；37—Microdic⁃tyon（微网虫）；38—Misszhouia（周小姐虫）；40—Naraoia（娜罗虫）；41—Paucipodia（贫腿虫）；43—Takak⁃kawia（塔卡瓦海绵）；44—Fuxianhuia（抚仙湖虫）；45—Acanthomeridion（刺节虫）；46—Onychodictyon（爪网虫）；47、52—Phoronids（帚虫类）；48—Lingulepis（磷舌形贝）；49—Xianguangia（先光海葵）；50—Maotians⁃hania（帽天山虫）；51—Luolishania（罗里山虫）；53—Dinomischus（高足怀虫）；54—Heliomedusa（日射水母贝）；55—Facivermis（火把虫）；56—Annelida？（环节动物？）；57—Cambrorhytium（寒武怀管虫）
澄江生物群的发现对研究生物进化理论方面具有十分重要的意义。达尔文的传统生命演化理论认为，生物演化是“渐变”的。但我国云南澄江生物群的发现却显示了早寒武世生物的快速演化，在距今约5.3亿年澄江动物群中，几乎现今的各主要动物门类（从低等的海绵动物到脊椎动物等十几个门类）都出现有各自的代表，这种“爆发”式的出现和“突变”式的演化，对达尔文传统的“渐变论”的生物进化理论是一个有力的冲击；与此同时，对建立一个新的、完整的生物进化理论也将是一个有力的补充。

7. 寒武纪地球——进化的爆发

5.41亿到4.854亿年前
     
 寒武纪海洋富含海洋生物
  
 5.41亿年前，地球 历史 上最壮观的事件之一发生了。这是生命的突然和前所未有的多样化。
  
 尽管持续了相对较短的5500万年(从地质学角度来说)，寒武纪还是见证了我们星球 历史 上最不可思议的进化多样化。在此期间，许多幸存至今的后生动物门出现在迅速变暖的海洋中。当陆地仍然荒凉的时候，海洋中充满了各种各样的奇异生命形式，包括一些最早的超级捕食者。
  
 寒武纪是以威尔士的拉丁名命名的，在那里第一批化石是在难以置信的古代岩石中发现的，这些岩石可以追溯到这个时候。许多年来，寒武纪被认为是生命第一次出现的时期，尽管现在知道生态系统在前元古代的埃迪卡拉纪已经相当发达。事实上，地球上最古老的生命确凿证据出现在惊人的35亿年前的太古代。
  
 快速变化的世界
  
 预示着一个全新时代的开始，显生宙延续至今，一个新时代，古生代，寒武纪可能是所有地质时期中最重要的。5.41亿年前，埃迪卡拉纪结束，当时的许多神秘生物随之消失，这可能是由于快速进化的掠夺行为和前所未有的气候变化的综合作用。寒武纪的黎明见证了一个几乎全新的生态系统进化的开始，即所谓的寒武纪大爆发。
  
 早寒武世地球可能是一个相对寒冷的世界，因为前显生宙的最后一批冰川消退了。此时，雪球地球已经完全消失了，氧气水平也在上升，最终达到今天的三分之二。与埃迪卡拉纪晚期一样，二氧化碳的数量比工业革命开始时高出惊人的16倍。
  
 随着温室效应的全面展开，我们今天所担心的气候变化的后果确实是深远的。寒武纪之初，海平面已经比现在高了大约30米，但它们继续稳步上升，达到了近90米的峰值。快速推进的海洋可能是前寒武纪潘诺蒂亚超大陆解体的主要原因，从而大大扩展了浅海环境的数量。整个寒武纪，气温也迅速上升，达到21 ，而今天是14 。地球变成了一个热带海洋世界，是复杂生命形式辐射的完美环境。
  
 
  
  
 第一批珊瑚礁形成了
     
 寒武纪的前1000万年见证了一个现已灭绝很久的造礁生物分类群的进化，这个生物分类群被称为古始新世。这些原始海洋生物在许多方面与现代珊瑚相似，因为它们是一个非常多样的分类单元，而且都是不能自己移动。平均来说，它们比今天的大多数畜栏都要小得多，我们从那个时候发现的小壳化石就证明了这一点。由于早寒武世陆块周围有大量的浅水，珊瑚成为该时期第一个时期的主要生命形式之一。
  
 许多其他海洋无脊椎动物，其中一些甚至在寒武纪之前，在这个时期中期就已经很成熟了。事实上，如果你去寒武纪海洋浮潜，你会发现很多东西，包括软体动物、水母、被囊动物和各种类似于今天的虾、海螺和穴居蠕虫的分节动物。海藻在寒武纪的前半期也变得广泛。事实上，它们仍然是当时地球上发现的唯一的植物生命形式，尤其是因为除了微生物之外，没有任何东西在这片土地上定居。
  
 三叶虫
     
 三叶虫在海藻中爬行
  
 最著名的化石可以追溯到恐龙时代之前，属于三叶虫化石，三叶虫是有史以来最成功的早期动物分类单元之一。三叶虫持续了大约2.7亿年，最早出现在寒武纪的200万年左右，并很快统治了世界海岸线周围的浅滩。事实上，已经发现的寒武纪化石90%以上属于这些对称的三裂节肢动物。
  
 到寒武纪中期，地球的海洋发生了巨大的变化。在当时最重大的灭绝事件中，大多数古始新世物种迅速灭绝，可能是因为海水中镁含量的下降深刻地改变了海底的化学成分。换句话说，珊瑚礁不再是主要的生物群落，后生动物物种，如三叶虫，找到了一个全新的生态位来定居。
  
 伯吉斯页岩形成于大约5.08亿年前的中寒武世，现在发现于不列颠哥伦比亚省的加拿大落基山脉。伯吉斯页岩发现于1909年，仍然是寒武纪最重要的化石矿床之一，也是世界上唯一拥有该时期大量保存完好的生物的地方。几乎完全是由于这一惊人的发现，我们对5亿多年前地球海洋中的生命了解得如此之多。在伯吉斯页岩中发现的许多生物中，有一种叫拇趾怪的生物，这种看起来完全像外星人的生物靠着七八双爪腿在海底漫步。
  
 第一个超级捕食者的进化
     
 长到1米长的加拿大异头鲸是寒武纪时期最大的动物。
  
 在伯吉斯页岩矿床中发现的最引人注目的化石之一属于一种叫做加拿大异头虾的动物，它生活在早寒武世至中寒武世，身长约1米，是该时期迄今发现的最大动物。更令人印象深刻的是，这种巨大的虾状生物可能是第一批在地球海洋中潜行的顶级捕食者之一。利用覆盖在身体后部的裂片在水中推进自己。它的茎上长着复眼，盘状的嘴里长着带刺的刺，很可能捕食早期的鱼类和其他节肢动物，包括三叶虫。
  
 当巨型对虾忙于恐吓寒武纪海洋时，第一条鱼出现了，可能是从寒武纪早期珊瑚礁的固着被囊动物进化而来的。虽然不是真正的鱼，但鱼的直系祖先是头索动物，这是一种没有明确头部的简单生物，比如现代的枪矛鱼。第一条真正的鱼出现在5.3亿到5.2亿年前，但它们非常小，通常只有不到一寸长，没有下颚。最早的真鱼之一是海口鱼，它在5.35亿年前进化而来。
  
 不断变化的生态系统预示着生物更替
  
 像许多地质时期一样，寒武纪的最后几百万年以一次重大的灭绝事件为标志。尽管这一时期以多细胞海洋生物的爆发而闻名，但全球环境的快速变化再次改变了世界的生态系统。经过长时间接近全球的热带温度，世界在寒武纪末期开始显著变冷，尽管这不太可能是寒武纪-奥陶纪灭绝事件的主要原因。相反，它可能是由所谓的生物更替事件引起的，在这种事件中，更成功的生物取代了它们的原始祖先。换句话说，自然选择看到的是只有最强的存活下来。
  
 结论
  
 到寒武纪结束时，海平面比今天高90米，并且仍在稳步上升。尽管有无数物种进化和消失，但这一时期是一个令人难以置信的多样化时期，在此期间，第一批节肢动物进化了，预示着多细胞生物对土地的第一次 探索 。尽管如此，尽管海洋生物群落在寒武纪结束时欣欣向荣，但缺乏植物或动物生命的荒凉大陆继续缩小，而在海洋中，第一批珊瑚形成了巨大的珊瑚礁，充满了日益多样化的生命形式。

8. 爆发式进化的寒武纪物种大爆发

在距今约5.3亿年前（寒武纪），绝大多数无脊椎动物门（节肢动物、软体动物、腕足动物和环节动物等）在几百万年的短时间内出现了，而没有在寒武纪之前更为古老的地层中出现，被称作“寒武纪生命大爆发”。大约0.6亿年以后，出现了古生代动物群。但是，3亿年后，出现了二叠纪大灭绝（Great Permian extinctions），接着又出现了三叠纪生物大爆发（Triassic explosion），由此演化出现代动物群（Purves et al. 2007）。为何在寒武纪早期发生持续时间很短的结构创新大爆发呢？迈尔（2010）认为，之所以发现了很多新的化石，是因为这些化石动物都有骨骼，而它们的那些软体祖先可能无法石化，而且可能个头太小，无法在地层中留下痕迹，因此，这么多门类表面上的突然同时出现或许只是个假象而已。除此之外，后生动物早期进化速度太快也可能是一个原因：当一个身体构型内的整合还足够疏松时，往往允许大的创新发生。当然，这都只是猜测而已，难以证实。