寒武纪澄江化石库中叶足动物起源与演化浅析

叶足动物是寒武纪海洋中非常特殊的类群,它们因为具有柔软的叶片状附肢而得名,而这柔软的叶片状附肢正是地球历史上的"第一对腿"。这对腿的出现,使地球进入了全新的"步行"时代,并且继而开启了地球上最大优势类群节肢动物的演化之门,其重要性不言而喻。笔者以澄江化石库中的叶足动物为主线,浅析寒武纪叶足动物的起源和演化。     

澄江化石库中具眼睛的珍稀叶足动物及其在节肢动物起源上的意义

长久以来, 地球上最大的优势类群节肢动物的起源一直是学术界激烈争论的重大论题之一. 传统上认为节肢动物与环节动物密切相关, 但新的分子生物学资料表明这两大类群分属于原口动物超级谱系中的不同分支. 尽管古生物学家多认为节肢动物应该植根于早期一类称作叶足动物的具有成对不分节附肢的蠕虫, 但却始终未能发现可靠的中间桥梁去联系它们. 本文报道一种发现于著名的早寒武世澄江化石库中兼有叶足动物和节肢动物镶嵌特征的珍稀动物. 一方面, 它具有节肢动物的关键创新特征, 例如成对的眼睛和触角所显示的初步头化, 以及初级异律分节躯干所显示出的躯干分部性; 另一方面, 它却保留了叶足动物的典型特征: 如蠕虫状的体形、背刺以及叶足状附肢. 这一珍稀过渡类型的发现将为节肢动物的起源探索投进新的曙光; 这一发现也暗示着, 最原始的节肢动物很可能具有成对的单支型附肢, 而双支型附肢只是后来演化的产物.     

华南新的寒武纪生物地层序列和年代地层系统

生物地层和年代地层是地球科学中最常用的划分地层的方法和地层对比的标准. 简要回顾了1978年以来我国华南斜坡相寒武纪生物和年代地层的研究. 介绍了1988年以来逐步形成的华南寒武纪生物地层序列和年代地层系统, 并对两者做了新的修订. 修订后的华南生物地层序列包含36个生物带和一个“贫化石带”, 所有生物带的底界都用单个物种(带化石)的首现定义; 修订后的华南年代地层系统由4统10阶组成, 其中包含了在湘西北建立的“芙蓉统”、“排碧阶”和“古丈阶”3个全球年代地层单位, 2个“金钉子”和2个被国际地层委员会寒武系分会接受的、定义全球寒武系阶的底界的“国际纽带点”. 华南的生物和年代地层系统是目前被国内外接受的中国划分标准. 对今后进一步完善这两套地层系统也提出了研究建议.     

草本沼泽泥炭不同演化阶段气体碳氢同位素组成及其演化特征

煤层气聚集存在着“累积聚气”和“阶段聚气”两种形式. 目前缺乏“阶段聚气”煤层气的地 球化学特征和指标的研究. 通过草本沼泽泥炭在不同温度下制备的样品进行热模拟实验, 获得 了不同演化阶段甲烷和乙烷的碳、氢同位素组成和演化规律. 发现甲烷和乙烷碳同位素组成明 显地受原始样品演化程度的影响, 而氢同位素组成主要与成熟度密切相关. 确定了成煤有机质 从Ro 为1.2%, 1.7%, 2.4%, 3.2%, 3.7%分别演化至Ro 5.7% (4.8%)之间生成的气体碳、氢同位素 组成. 建立了成煤有机质在不同演化阶段热解气体碳、氢同位素组成与Ro 之间的关系和甲烷 与乙烷的碳、氢同位素之间的关系式. 这些为研究不同成熟度区间生成的煤层气的成因和“阶 段聚气”的煤层气地球化学特征认识及其成因判识提供了科学依据. 并且, 将这些研究结果应 用到我国沁水盆地南部煤层气研究, 认为该地区煤层气是在中侏罗世以后聚集而成, 具有“阶 段聚气”的特征, 这与地质研究结果相一致, 从而证明了热模拟研究成果对自然界煤层气成因 的判识具有重要的科学意义.     

节肢动物早期演化的基因背景

我国云南昆明和澄江等地下寒武统帽天山页岩动物群保存的大量处于不同演化阶段的节肢动物化石为研究节肢动物早期演化提供了物质依据. 最近研究表明, 节肢动物起源及其冠支类群早期演化分别由以外骨骼分节和背甲关节的形成、具关节附肢的形成和复合型头区的形成为特征的体节化事件、附肢化事件和头区化过程所组成. 本文结合发育生物学研究探索节肢动物起源及其早期演化的基因背景, 认为附肢化过程与Hox基因分别参与附肢D-V轴和P-D轴的调控作用有关. 头区化过程与原躯干前端体节形成机制的变化有关. 化石和发育生物学研究表明在复合型头区形成初期, Hox基因的表达在不同体区的分化已经发生; 但Hox基因直到冠支类群演化的早期阶段尚未对附肢特异化起明显的调控作用. Hox基因对体节和附肢特异化调控作用是冠支类群演化的后期事件.     

早寒武世澄江化石库中叶足状蠕形动物火把虫的再研究

1989年报道的早寒武世澄江化石库的云南火把虫(Facivermis yunnanicus Hou et Chen)躯体的前部具有5对触手, 而尾部被解释成简单的尖缩状; 并认为可能与环节动物的多毛类相关. 此后, 它又被解释为与五口动物或触手冠动物等类群具有亲缘关系. 最近西北大学早期生命研究所发现了完整云南火把虫标本: 完整的云南火把虫不仅显示了躯干前端的5对叶足状附肢, 而且还保存了具2~3圈钩刺的倒梨形尾部. 基于这些重要形态学信息, 本文作者对云南火把虫的分类位置予以重新界定: 其5对叶足状附肢与神奇啰哩山虫(Miraluolishania Liu et Shu)的前躯干附肢十分相近, 似为同源构造, 因而很可能与叶足类具有较近的亲缘关系. 此外, 云南火把虫的5对叶足状附肢对于探索叶足类动物和节肢动物附肢的起源更具有重要的科学意义.     

早于始祖鸟的虚骨龙类及其对于鸟类起源研究的意义

在过去20年中, 对非鸟兽脚类恐龙向鸟类演化过程的重建工作取得了很大进展, 但是关于这一演化假说仍然存在一些反对的观点, 其中一个反对证据来自兽脚类恐龙化石的地层分布记录. 从兽脚类恐龙化石的地层分布上看, 目前已知最古老的鸟类发现于晚侏罗世, 而在侏罗系地层中却很少发现应当是它们祖先类型的虚骨龙类化石, 这暗示存在着一个“时间悖论”——后裔出现在祖先之前. 本文回顾有关这一研究问题的最新进展. 近10年来的一系列发现表明, 虚骨龙类主要类群在侏罗纪中晚期已经出现. 这些发现大大提高了化石地层分布和兽脚类恐龙系统发育关系的一致性, 并且有力反驳了所谓的“时间悖论”. 更为重要的是, 这些发现为鸟类起源研究的核心问题——兽脚类恐龙的系统发育研究提供了重要的信息, 支持了暴龙超科和阿尔瓦兹龙超科处于虚骨龙类相对基干的位置, 甚至暗示一个新的关于副鸟类的系统发育假说: 始祖鸟、驰龙科和伤齿龙科构成一个单系类群, 而攀龙类、其他鸟类以及窃蛋龙类形成另一个演化分支. 特征演化分析表明, 副鸟类的基干类群可能在晚侏罗世之前已经演化出与树栖以及飞行相关的特征. 未来更多侏罗纪虚骨龙类化石的发现将有助于一个更加精确的鸟类起源和演化模式的建立.     

书写时代的传奇

十年跋涉,历尽艰险,迄今速度最快的人类探测器“新视野”终于见到了“有心”的冥王星。匆匆一见之后,距地球超过52亿km的“小新”,如今已向更远的深空飞去,不再复返。“新视野”对冥王星的匆匆一瞥,要花掉7.2亿美元。这一长达数年的单程“约会”,究竟有多重要？1965年,也是在7月14日,“水手4号”探测器飞掠火星,成为人类探测器首次近距离观测另一星球。随后的50年间,人类探测器先后飞抵太阳系八大行星,而曾经的第九大行星冥王星却因距离遥远,从未迎来人类探测器。50年后的同一天,“新视野”飞抵冥王星,这简直比科幻作品还令人称奇。“新视野”的这一瞥,不仅让人类终于看全了太阳系原“九大行星”,更代表人类完成了行星际观测“第一阶段”的任务。项目首席科学家艾伦.斯特恩指出,长达半个世纪的努力,将“永远是我们这个时代的传奇”。     

智慧让城市更美好

适应日益增长的社会需求和信息科学技术的快速发展,“数字城市”建设取得了显著成绩,为政府、企业和公众提供了良好的服务,但是也存在许多问题。网格、物联网和云计算技术的出现和应用,给解决“数字城市”面临的问题带来了机遇、创造了条件,“智慧城市”应运而生,由“数字城市”向“智慧城市”演化成为社会关注的主题。网格、物联网、云计算等是实现“数字城市”向“智慧城市”演化的关键技术。“智慧城市”将推动城市智慧服务和智慧产业的发展,提升进入21世纪信息化时代城市的核心竞争力。     

海底热液活动与生命起源

现代海底热液活动及有关的生命现象是最近三十年来自然科学最重要的发现之一,给地质学、地球化学和生物学的研究提供了全新的视野。通过对地球早期环境条件及其演化的研究,结合地质历史上最早生命的记录,一些科学家意识到,海底热液活动完全具备地球上生命起源必需的物质、能量和环境条件。在热液条件下,不仅一些有机物能通过无机合成得以生成,喷口/海水界面上剧烈的物理和化学梯度为嗜热化能自养微生物提供了能量。嗜热化能自养微生物是热液生态系统的初级生产者,在生物进化历史上也最接近“最后的共同祖先”。文章对“生命起源于海底热液活动”这一科学假说作了比较系统的介绍。     

保卫地球——近地天体的巡视与防御陨击的对策

地球处于危险的宇宙环境中。运行到地球附近的"近地天体(NEO)"潜在着撞击地球的危险。实际上,地球自诞生以来就不断地受到这些天体的轰击,月球和水星的斑痕累累陨击坑就是最好的佐证,只是地球经历严重演化而抹去了老的陨击遗迹,仅见到170多个较近期的陨击构造。幸运的是,现阶段的陨击大多是规模小的,危害不太大。然而,陨击是很难预料的,一旦发生较大的撞击,就会造成比大地震还严重得多的危害。1994年的彗星撞击木星事件轰动世界,启迪人们更加关注地球被撞击的危险问题。实际上,也不乏地球近期遭遇陨击的例子:1908年的通古斯爆炸事件;1976年的吉林陨石雨;2008年的小行星2008TC3陨落在苏丹。2010年初,美国科学院公布《保卫地球:近地天体巡天和缓解危险策略最终报告》,笔者将结合有关资料作简要介绍,让公众了解真实的科学知识和对策,以免被歪曲的影视情节所误导。     

全球岩石圈板块为什么会运移?

全球岩石圈板块运移的动力学机制,长期以来始终是一个议而不决的难题。地质演化历史的大量信息都埋藏在岩石圈内部,很少出露地表。然而,近2亿年来的地质信息出露比较多,资料也比较可靠,学者可对此问题进行探讨。根据全球中、新生代7次板块运动模式的变化,可以认为岩石圈板块的运动是由巨大的陨石撞击地球表层诱发的,而不是如流传很广的"地幔传送带模式"假说所认为的那样产生的。每隔3 300万年左右,地球都会随太阳系一起穿越一次星际物质较密集的银道面,引起引力场的巨变。引力场的改变使一些小行星改变其原来的运行轨道,从而导致地球表层受到来自陨石的不同角度的撞击,诱发地球岩石圈板块运动方向或模式的改变。     

海豆芽——进化中的“活化石”*

舌形贝（Lingulidae）最早出现在寒武纪早期,因其壳体外形与现代舌形贝相似,通常被认为是活化石,但形态解剖研究表明澄江化石库舌形贝属Lingulella 和Lingulellotreta 与现代舌形贝Lingula在脉管系统、刚毛排列和内脏区分布,以及生活方式方面存在较大差别,进而表明了“活化石”在漫长的地质历史中也存在一定的环境适应性改变。     

照亮地球深部的“明灯”——高温高压实验

地球是人类赖以生存和发展的家园,相对于其表层系统(大气圈、水圈、生物圈),人类对地球深部的认识仍然非常有限。地质学/地球化学方法通过研究地表出露的来自地球深部的岩石矿物和来自外太空宇宙的陨石等样品,来推测地球内部物质的性质。地球物理方法则利用地震波来探测地球内部的结构。半个多世纪以来兴起的高温高压技术,使得科学家能够在实验室中模拟地球内部的极端压力和温度环境,同时结合各种现代化分析测试手段,对岩石和矿物在极端高温高压条件下的性质状态进行原位研究,极大地促进了我们对地球内部的物质组成和结构的认识。因此,高温高压实验技术已经成为人类探索地球深部结构和物质组成的“明灯”。     

地球进入了第六次生物大灭绝

地球自距今5.4亿年寒武纪生物大爆发以来,由于环境恶化等自然因素,已先后造成了5次生物大灭绝。尽管每次大灭绝使大批生物从地球上消失了,但也有些更能适应环境、更进化的生物保留下来并得到大发展,从而使地球上的生物一步一步地由低等进化为高等,而且最后成为最多样性、最繁盛的阶段。但自人类200年前工业革命以来,由于环境污染,人类的乱捕乱杀、乱砍乱伐各种生物以及肆意破坏生态环境,已导致大批物种消失,使地球进入了第6次生物大灭绝。由于这次大灭绝的主要因素是人类引起的,因此其后果特别严重,如若人类不采取措施,最后灭绝的将是人类自己。     

地球的陆壳是怎样形成的?——神秘而有趣的前寒武纪地质学

地球的年龄大约有46亿年。以5.45亿年为界,之前的称为前寒武纪,它有大约40亿年,是地球历史上漫长的地质时代。之后的称为显生宙,寒武纪就是显生宙的第一个纪元。地球陆壳的80%～90%以上是在前寒武纪形成的,记录了复杂和惊心动魄的地质构造事件,赋存着丰富的矿产资源。前寒武纪地质,就是研究地球在前寒武纪时期的地质演化,特别是大陆的形成和增生以及演化的学科。     

大脑网络的探索进程（一）——研究特点、方法与三大类型*

脑网络是复杂的生命系统中一个最典型的复杂网络,是一类“网络的网络”。目前可从三个层次对大脑网络进行建模探索,即微观尺度(神经元)、中尺度(神经集群)、大尺度(脑区域),各层次之间相互影响、错综复杂,研究难度很大。笔者从网络科学观来评述大脑网络的探索进程、研究方法和主要类型。     

三峡古文化衰退、调适及转型的原因分析

长江三峡地区的古文化经历了大溪文化高潮后,于5 000 BP(BP为距今年代)前后开始衰退(东部显著),且在4 000 BP后发生全面衰退,该衰退现象恰好对应区域气候由稳定向不稳定的转型过程。气候转型中,其不稳定性增强,大溪文化期表现突出的原始种植业成分基本从经济构成中退出,渔猎经济成分在这一时期占据了绝对优势,生业经济表现出与自然条件的高度依存关系。总体而言,在６ 000~２ 000 BP,三峡地区生业经济构成存在着由“渔猎-农耕”转型为“渔猎”,继而再转型为“渔猎-盐业”的演变特点,古文化内涵显现出“退中有进”“退中有转”的特征现象。这一方面反映出古文化环境感知和调适能力的提高,另一方面则仍烙有极为鲜明的地方自然环境适应性特征。     

端粒和端粒酶与衰老、癌症的潜在关系——2009年诺贝尔生理学或医学奖简介

美国科学家伊丽莎白·布莱克本、卡萝尔·格雷德和杰克·绍斯塔克三人同时获得2009年诺贝尔生理学或医学奖,这是由于他们发现“染色体是如何被端粒和端粒酶保护的”,这一研究成果揭开了人类衰老和肿瘤发生等生理病理现象的奥秘。本文将就端粒和端粒酶的发现、结构和功能及其与人类衰老、癌症的潜在关系等方面做一简要介绍。     

小虫春秋：果蝇的视觉学习记忆与认知

视觉认知是脑科学领域中的重要研究方向,是揭示 “脑是怎样工作的”,“物质的脑是如何产生精神的”的重要路径。近年来,科学家们以果蝇为模式生物,从基因脑行为认知相结合的角度,系统性地开创了果蝇的视觉“认知”研究,如学习与记忆、注意、跨模态记忆、特征提取和泛化、两难抉择、抉择的神经环路等。即使果蝇这样相对简单的脑,在很多方面都展示了令人惊奇的“理性”行为。看来,那种认为只有某些独特的唯一的脑机制才能实现人类的理性的想法是不成立的。我们期待,在探索“智与愚”的神经生物基础方面,果蝇会对我们继续有所帮助。