层孔海绵“嫘祖”，磷酸钙做骨

 

湖北宜昌嫘祖镇附近，一块貌不惊人的黑色石块，在古老岩层中静静等待了数亿年。当科学家用显微镜揭开它的秘密时，一个关于生命创造力的远古故事随之浮现。

近日，中国科学院南京地质古生物研究所（简称南京古生物所）早古生代研究团队等，在宜昌远安发现了4.8亿年前、迄今最古老的层孔海绵化石，因发现地及其微观结构与丝绸相似，将之命名为嫘祖冠毛层孔海绵。

这一发现不仅将造礁的层孔海绵的化石记录提前了约2000万年，还揭示了早期礁生态系统和生物矿化演化的独特机制，为未来研究早期地球环境与生物相互作用提供了新方向。相关成果4月1日在美国《国家科学院院刊》（PNAS）发表。

发现最古老的层孔海绵化石

与一般的海绵动物不同，大部分古生代层孔海绵没有骨针，而是具有钙质骨骼，这是一个重要特征。在北美大陆，由层孔海绵形成的生物礁是非常重要的油气储层。

层孔海绵作为古生代奥陶纪—泥盆纪标志性的浅海造礁动物之一，在礁构建中的作用、生态地位和地理分布上，类似于现代珊瑚。

然而，层孔海绵突然融入礁生态系统引发一系列有趣的关键科学问题：最早的层孔海绵何时出现？它们是如何获得矿化骨骼的？它们如何成为礁生态系统的重要组成部分？层孔海绵如何在全球范围内几乎同时分布并对礁生态系统做出贡献？

由于早期层孔海绵化石记录的缺失，这些问题长期悬而未决。

论文第一作者、韩国高丽大学博士后全胄完在南京古生物所就读博士期间，在论文共同通讯作者、南京古生物所研究员张元动建议下，前往宜昌进行野外考察，发现了这次报道的化石。

“宜昌地区早奥陶世生物礁研究已经相当深入，因此这是一个出乎意料的发现。”全胄完向《中国科学报》介绍了该化石名称的由来，“化石发现地附近有嫘祖镇，中国传说中的嫘祖被认为发明了养蚕和丝绸。这种层孔海绵的微观结构与丝绸有相似之处，所以用了‘嫘祖’命名。”

“时装秀”上不走寻常路

尽管在刚发现“嫘祖”化石时，全胄完花了很长时间才理解它，但他在博士毕业前后与多位学者持续合作研究，获得系列发现。

他们认为，嫘祖冠毛层孔海绵是通过氟磷灰石构建其骨骼的，这在整个海绵类中是独一无二的。

张元动表示：“就像厨师尝试新菜谱一样，早期动物在进化过程中‘尝试’用不同材料构建骨骼。以往研究中的海绵化石骨骼建造，要么是碳酸钙，要么是硅。”

而“嫘祖”海绵选择了磷酸盐来构建骨骼，表明海绵动物在奥陶纪早期就已经具备了使用硅、碳酸钙和磷酸钙这3种生物矿物质建造其骨骼的能力和机制，展示了早期生物适应环境的多样性，为科学家理解生命演化提供了新视角。

“这就像是生物在进化的‘时装秀’上，尝试了一种独特的‘材料’。虽然最终在海绵动物中没有成为主流，但却展示了生命演化的丰富可能性。”张元动进一步解释了这种独特性。

这一新发现确立了多孔动物门，这是第一个已知的利用硅、碳酸钙和磷酸钙3种主要生物矿物质的后生动物门。

化石记录前推约2000万年

早期层孔海绵骨骼中磷酸盐的存在，拓展了人类对早期动物生物矿化能力的理解，这表明早期海绵可能已具备多样化生物矿化策略所需的遗传能力。

研究团队认为，“嫘祖”海绵可能代表了磷酸盐生物矿化的早期“实验品”，后来在海洋化学变化的背景下，被基于碳酸盐的海绵所取代。这一发现强调了环境因素在塑造生物演化过程中的重要性。

不仅如此，“嫘祖”海绵还形成复杂的礁结构，在框架构建和结合钙微生物、石松海绵、瓶筐石、棘皮动物等其他造礁生物组分方面，发挥了关键作用。

这些早期的层孔海绵所建造的礁结构的复杂性，堪比后来的礁生态系统。这一发现将造礁层孔海绵的化石记录前推约2000万年。

这项研究的意义不仅在于填补了层孔海绵早期演化历史的空白，还为理解早期动物的生物矿化过程提供了新的视角。它揭示了地球历史上关键时期礁生态系统的复杂性，以及生物如何适应和改变环境。

审稿人认为，目前关于层孔海绵早期演化历史的相关信息仍然非常有限，因此该研究对推进这一领域的理解具有重要意义。

相关论文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2426105122

作者在宜昌远安发现的早奥陶世层孔海绵—棘皮动物生物礁。受访者供图

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